直流變換器用微型變壓器的電氣性能

　　1 前言

　　減小便攜式電子裝置體積的發(fā)展趨勢，正推動著電感器、電容器、變壓器這類無源元件在硅基片的集成。過去十年，對硅基片上磁性薄膜元件的設(shè)計(jì)、制造和特性進(jìn)行過很多研究。已開發(fā)出的微型變壓器和電感器的制造工藝，多數(shù)都采用電沉積技術(shù)。有人已證明了用薄膜磁性元件與其他功率變換用元件集成的可行性。已制成了與肖特基二極管集成的薄膜變壓器。有人把薄膜電感器集成到集成功率開關(guān)和控制電路系統(tǒng)上，制成一種1W直流變換器，但達(dá)到的功率密度，其典型值為1W/級。其他人達(dá)到了較高的功率密度，他們報(bào)道的微型變壓器的功率密度22.4W/，效率為43%。最近，還有人報(bào)告了他們使用薄膜電感器的微型變換器，其效率高達(dá)83%，輸出功率1.5W。

　　本文介紹提高功率密度和效率的新設(shè)計(jì)與制造技術(shù)。要優(yōu)化微型變壓器的設(shè)計(jì)，必須有一種能夠快速評價(jià)多種變壓器設(shè)計(jì)的模擬技術(shù)。與繁瑣的數(shù)字法相反，采用分析法進(jìn)行模擬。本文介紹制得的E型磁芯微型變壓器的電氣性能及其在直流變換器中的應(yīng)用，把測量結(jié)果同分析模擬的數(shù)據(jù)進(jìn)行對比。

　　2 微型變壓器的設(shè)計(jì)與制作

　　變壓器結(jié)構(gòu)的平面圖示于圖1，這是一種E磁芯型微型變壓器，由兩個(gè)交錯(cuò)運(yùn)動場式電磁隔離線圈夾在磁性材料薄層之間構(gòu)成。有人已證明，采用E型磁芯設(shè)計(jì)，比環(huán)型磁芯功率密度高。采用不同的幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)成變壓器系列，工作頻率均為5MHz。每種器件設(shè)計(jì)的詳細(xì)資料列于表1中。

　　變壓器采用光刻和濺射、電鍍沉積法制作在硅基片上。用電鍍坡莫合金()，形成變壓器磁芯。用介電材料(BCB)，使底部磁芯與導(dǎo)體絕緣。經(jīng)過厚光刻膠圖形電鍍銅，制成厚43μm的繞組。然后把這種光刻膠旋涂在導(dǎo)體上，在導(dǎo)體和頂層磁芯之間形成絕緣層。最后，電鍍頂層坡莫合金，制成使頂層磁芯底部磁芯相連接的圖形，構(gòu)成閉合磁芯。制得的微型變壓器示如圖2。把最終制成的器件切成小塊，用板上片式技術(shù)單個(gè)封裝。

　　3 電氣性能

　　封裝好的變壓器的電氣參數(shù)，用HP4195型阻擾分析儀測定。圖3繪出B、C、D、E四種微型變壓器的開路電感測量值。在所有情況下，到5MHz以前的電感量都保持恒定。磁芯最長(17mm)的變壓器D，電感值(0.9μH)最大。

　　4 微型變壓器模擬

　　為了徹底弄清制成的變壓器特性并能預(yù)測它們的指標(biāo)，必須對磁結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬。可以用有限元件(ANSOFT麥克斯韋二維法)，精確預(yù)測性能指標(biāo)：采用渦流場計(jì)算器，并認(rèn)為磁性材料是線性的。但要探索其優(yōu)化措施，還是用速度較快的模擬程序更好一些。因此，采用分析法來模擬變壓器。

　　分析模型建立在確定變壓器等效電路模擬各單元的基礎(chǔ)上，其中忽略寄生電容。與頻率相關(guān)的電阻和漏感，用Dowell提出的方法計(jì)算。雖然只考慮了一維作用，但發(fā)現(xiàn)這種方法用于單層高寬比大的線圈是合理的。增大導(dǎo)體的高寬比，可以提高這種模擬的精確度。計(jì)算磁芯電感和電阻Rc，采用建立在無限長薄膜內(nèi)一維解麥克斯韋方程基礎(chǔ)上的磁芯模型。由此可以得到磁芯電感及其中的渦流損耗與頻率相關(guān)模型。分析中，不包括磁芯中的磁滯損耗。

[$page]　　微型變壓器D開路(Los)和短路(Lsc)電感量隨頻率變化的測量值和用分析模型計(jì)算值之間的比較，圖中同時(shí)繪出了用有限元分析法得到的仿真值。在運(yùn)用分析模型和FEA仿真這兩種情況下，同測量值比較，磁性材料參數(shù)必須為已知值。坡莫合金層的電導(dǎo)率用四點(diǎn)探測法測定，其磁導(dǎo)率根據(jù)用環(huán)形式樣測得的電感量確定�！　�從圖4看出，開路電感測量值與模擬值十分接近。短路測量可給出微型變壓器漏感的概念。但是低頻下，因磁化電感量很小，磁化電阻抗也很小，這種變壓器不能看作為理想變壓