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1 引言
為了適應(yīng)現(xiàn)代電子設(shè)備小型、輕薄、便攜等使用的要求，以及現(xiàn)代電子設(shè)備組裝工藝如 SMT 的要求，一些傳統(tǒng)型磁性元器件正在被多種輕小型平面磁性元器件替代。使用與實(shí)驗(yàn)表明，平面型結(jié)構(gòu)的磁性元器件有諸多優(yōu)點(diǎn)，諸如體積小、熱傳導(dǎo)性能優(yōu)良，在高功率密度下工時(shí)具有較小的功率損耗，適合使用 SMT 工藝等。
為了一次性精確設(shè)計(jì)出性能優(yōu)良的高頻磁性元器件，需要對(duì)其漏感、繞組的分布電容、趨膚效應(yīng)和鄰近效應(yīng)等寄生參數(shù)進(jìn)行計(jì)算。目前，對(duì)其中的疊層變壓器、矩陣變壓器、圓形螺旋線(xiàn)圈薄膜變壓器等磁性元件已經(jīng)具有了比較成熟的計(jì)算方法。本文討論兩種平面多層帶氣隙變壓器的設(shè)計(jì)，首先，電路模型設(shè)計(jì)以頻率特性關(guān)系為前提，假設(shè)磁性材的頻率特性是線(xiàn)性的，沒(méi)有磁滯效應(yīng)，因此，不需要區(qū)分輸入電壓的性質(zhì)。其次，線(xiàn)圈內(nèi)的磁通分布是必須考慮的，以便于確定如何才能有效地利用磁心所需材料的用量，以及如何使磁通分布均勻。渦流分布方面的知識(shí)有助于計(jì)算線(xiàn)圈的銅損和磁心材料內(nèi)的渦流損耗。
本文所討論的器件在設(shè)計(jì)制造中采用的是 TDK 公司的 MnZn 鐵氧體材料。將它們用于高頻平面磁性元件中，以研究它們的電感值和電壓比與頻率之間的特性關(guān)系；同時(shí)，文章研究了兩種不同繞組結(jié)構(gòu)的磁通分布和渦流分布狀態(tài)，并采用邊界單元法編制了 CAD、CAE 軟件和用其計(jì)算了有關(guān)數(shù)值。
2 平面多層高頻變壓器結(jié)構(gòu)和計(jì)算模型
工作頻率接近于 1MHz 的高頻直流變換器需要幾微亨的電感值。應(yīng)用于高頻率的電感器結(jié)構(gòu)，最常見(jiàn)的是具有開(kāi)路、閉路或螺旋結(jié)構(gòu)的多層磁路。本文實(shí)驗(yàn)用樣品的初級(jí)和次級(jí)線(xiàn)圈的匝數(shù)相同，Ⅰ型樣品為 3 匝，Ⅱ型樣品為 1 匝。磁心材料為鐵氧體，磁心尺寸為 17.6×17.6×20(mm3)。圖 1 所示螺旋型繞組結(jié)構(gòu)，其磁心結(jié)構(gòu)是基本開(kāi)路型。為了計(jì)算方便，假設(shè)它們是一種二維軸對(duì)稱(chēng)的無(wú)界結(jié)構(gòu)，如圖 2 所示。在設(shè)計(jì)計(jì)算中，必須考慮鐵氧體材料、絕緣材料和線(xiàn)圈材料的性能與參數(shù)，如磁導(dǎo)率、介電常數(shù)、電導(dǎo)率等等參數(shù)，然后采用邊界單元法（BEM）借助于 PC 機(jī)的 CAD/CAE 軟件即可計(jì)算出要求的數(shù)值。
3 電感值與頻率的特性關(guān)系
圖 3 示出了具有螺旋型繞組結(jié)構(gòu)的平面磁性器件的電感值與頻率的特性關(guān)系之實(shí)驗(yàn)結(jié)果。圖 3 所示特性曲線(xiàn)是采用 HP4285A 精密 LCR 測(cè)試儀，在 100kHz~1MHz 的頻率范圍內(nèi)測(cè)得的結(jié)果。由于磁心材料的磁導(dǎo)率隨著頻率的增高而降低，所以電感值 L 也隨著頻率的增高而降低。
4 電壓比與頻率的特性關(guān)系
以下討論在沒(méi)有負(fù)載的情況下，輸入和輸出電壓比與頻率的特性關(guān)系。圖 4 所示為開(kāi)路平面磁心結(jié)構(gòu)的電壓比，表明它們具有頻率特性關(guān)系。其關(guān)系類(lèi)似于采用閉合磁心結(jié)構(gòu)的薄膜微型變壓器的頻率特性關(guān)系的結(jié)果。測(cè)試也顯示出Ⅰ型變壓器的電壓比相對(duì)保持穩(wěn)定，而Ⅱ型變壓器在 5MHz 處有一個(gè)峰值。磁耦合強(qiáng)度在低頻狀況是相當(dāng)小的，因此，電壓比是不等于繞組匝數(shù)比的，即 Nout/Nin≠Vout/Vin。
5 頻率在 1MHz 時(shí)，變壓器中的磁通分布
筆者在設(shè)計(jì)變壓器時(shí)，計(jì)算了磁心和繞組內(nèi)的諧波磁場(chǎng)分布，分析顯示出變壓器結(jié)構(gòu)內(nèi)部尤其在繞組周?chē)嬖诖罅康倪吔绯煞帧D 5 表示在初級(jí)繞組勵(lì)磁，次級(jí)繞組開(kāi)路的狀態(tài)之下的磁通計(jì)算結(jié)果。這種結(jié)構(gòu)計(jì)算的數(shù)值表明，平面開(kāi)路磁心結(jié)構(gòu)內(nèi)部的磁通分布與傳統(tǒng)的磁心結(jié)構(gòu)中的磁通分布情況是不相同的，該磁通是由次級(jí)繞組中感生的渦流產(chǎn)生的。圖 5(a) 所示為泄漏出鐵氧體磁心的磁通分布，該泄漏的磁場(chǎng)將產(chǎn)生電磁干擾（EMI），它們會(huì)給電子設(shè)備設(shè)計(jì)帶來(lái)許多問(wèn)題。圖 5(b) 所示為沒(méi)有泄漏磁場(chǎng)的狀態(tài)。
6 在頻率為 1MHz 時(shí)，變壓器的渦流分布情況
變壓器在高頻工作時(shí)，渦流損耗是繞組和磁心共同存在的嚴(yán)重問(wèn)題。實(shí)驗(yàn)表明，在平面型磁心結(jié)構(gòu)中，鄰近效應(yīng)的影響往往比趨膚效應(yīng)的影響更為嚴(yán)重，圖 6 示出了其數(shù)值計(jì)算的結(jié)果。在設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)，勵(lì)磁電流加在初級(jí)繞組上，次級(jí)繞組開(kāi)路。由圖 6 可以看出，繞組結(jié)構(gòu)對(duì)渦流分布的影響是十分敏感的。
7 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及問(wèn)題分析
文章敘述了兩種平面型帶氣隙高頻變壓器的頻率特性、磁通分布和渦流分布的實(shí)驗(yàn)和計(jì)算結(jié)果，初級(jí)線(xiàn)圈接 100kHz~1MHz 的正弦電流電源，次級(jí)線(xiàn)圈開(kāi)路。從次級(jí)、初級(jí)電壓比和繞組匝數(shù)比的不相等，可以表明其磁耦合是相當(dāng)弱的。計(jì)算結(jié)果證明了平面型開(kāi)路磁心結(jié)構(gòu)中的磁通分布和渦流分布與傳統(tǒng)型變壓器磁路結(jié)構(gòu)是不同的，用邊界單元法的 CAD/CAE 程序得出了計(jì)算結(jié)果。
平面型帶氣隙高頻變壓器的未來(lái)研究與發(fā)展，主要要解決磁路系統(tǒng)的最佳設(shè)計(jì)問(wèn)題。這些問(wèn)題包括：要求磁路有一定的磁耦合系數(shù)，較理想的熱傳導(dǎo)材料，具有高的抗EMI 能力以及包括磁滯效應(yīng)在內(nèi)的損耗計(jì)算等等。
