直流变换器用微型变压器的电气性能

1、    直流变换器用微型变压器的电气性能1前言减小便携式电子装置体积的发展趋势，正推动着电感器、电容器、变压器这类无源元件在硅基片的集成。过去十年，对硅基片上磁性薄膜元件的设计、制造和特性进行过很多研究。已开发出的微型变压器和电感器的制造工艺，多数都采用电沉积技术。有人已证明了用薄膜磁性元件与其他功率变换用元件集成的可行性。已制成了与肖特基二极管集成的薄膜变压器。有人把薄膜电感器集成到集成功率开关和控制电路系统上，制成一种1W直流变换器，1 前言减小便携式电子装置体积的发展趋势，正推动着电感器、电容器、变压器这类无源元件在硅基片的集成。过去十年

2、，对硅基片上磁性薄膜元件的设计、制造和特性进行过很多研究。已开发出的微型变压器和电感器的制造工艺，多数都采用电沉积技术。有人已证明了用薄膜磁性元件与其他功率变换用元件集成的可行性。已制成了与肖特基二极管集成的薄膜变压器。有人把薄膜电感器集成到集成功率开关和控制电路系统上，制成一种1W直流变换器，但达到的功率密度，其典型值为1W/级。其他人达到了较高的功率密度，他们报道的微型变压器的功率密度22.4W/，效率为43%。最近，还有人报告了他们使用薄膜电感器的微型变换器，其效率高达83%，输出功率1.5W。本文介绍提高功率密度和效率的新设计与制造技术。要优化微型变压器的设计，必须有一种能够快速评价多

3、种变压器设计的模拟技术。与繁琐的数字法相反，采用分析法进行模拟。本文介绍制得的E型磁芯微型变压器的电气性能及其在直流变换器中的应用，把测量结果同分析模拟的数据进行对比。2 微型变压器的设计与制作变压器结构的平面图示于图1，这是一种E磁芯型微型变压器，由两个交错运动场式电磁隔离线圈夹在磁性材料薄层之间构成。有人已证明，采用E型磁芯设计，比环型磁芯功率密度高。采用不同的几何结构参数设计成变压器系列，工作频率均为5MHz。每种器件设计的详细资料列于表1中。变压器采用光刻和溅射、电镀沉积法制作在硅基片上。用电镀坡莫合金()，形成变压器磁芯。用介电材料(BCB)，使底部磁芯与导体绝缘。经过厚光

4、刻胶图形电镀铜，制成厚43μm的绕组。然后把这种光刻胶旋涂在导体上，在导体和顶层磁芯之间形成绝缘层。最后，电镀顶层坡莫合金，制成使顶层磁芯底部磁芯相连接的图形，构成闭合磁芯。制得的微型变压器示如图2。把最终制成的器件切成小块，用板上片式技术单个封装。3 电气性能封装好的变压器的电气参数，用HP4195型阻扰分析仪测定。图3绘出B、C、D、E四种微型变压器的开路电感测量值。在所有情况下，到5MHz以前的电感量都保持恒定。磁芯最长(17mm)的变压器D，电感值(0.9H)最大。4 微型变压器模拟为了彻底弄清制成的变压器特性并能预测它们的指标，必须对磁结构进行模拟。

5、可以用有限元件(ANSOFT麦克斯韦二维法)，精确预测性能指标：采用涡流场计算器，并认为磁性材料是线性的。但要探索其优化措施，还是用速度较快的模拟程序更好一些。因此，采用分析法来模拟变压器。分析模型建立在确定变压器等效电路模拟各单元的基础上，其中忽略寄生电容。与频率相关的电阻和漏感，用Dowell提出的方法计算。虽然只考虑了一维作用，但发现这种方法用于单层高宽比大的线圈是合理的。增大导体的高宽比，可以提高这种模拟的精确度。计算磁芯电感和电阻Rc，采用建立在无限长薄膜内一维解麦克斯韦方程基础上的磁芯模型。由此可以得到磁芯电感及其中的涡流损耗与频率相关模型。分析中，不包括磁芯中的磁滞损耗。微型变压

6、器D开路(Los)和短路(Lsc)电感量随频率变化的测量值和用分析模型计算值之间的比较，图中同时绘出了用有限元分析法得到的仿真值。在运用分析模型和FEA仿真这两种情况下，同测量值比较，磁性材料参数必须为已知值。坡莫合金层的电导率用四点探测法测定，其磁导率根据用环形式样测得的电感量确定。从图4看出，开路电感测量值与模拟值十分接近。短路测量可给出微型变压器漏感的概念。但是低频下，因磁化电感量很小，磁化电阻抗也很小，这种变压器不能看作为理想变压器工作。其结果是，短路测量时部分磁化电感量(Lm)被反射。从1MHz起，测得的短路电感值(0.4H)只考虑了漏感(L1);同用有限元仿真预测的漏感对比，可以确定这个漏感值。分析模拟在全频段范围内同测量完全相符。 变压器D在开路和短路中测得的和模拟的电阻值随频率变化的曲线进行对比。到1MHz以前，其电阻值大约为1。图中这种低电阻说明，厚铜导体涂层(43m)是对的。超过1MHz，结构中损耗使电阻增大。可以精确预测绕组的损耗。不过，高频下损耗中磁芯损耗(涡流损耗和磁滞损耗)占优势。由于这种模型不包括磁滞损耗，这就部分地说明为什么要从20MHz开始，此种分析模拟与测量不相符。还要注意