平面變壓器如何提升高頻開關(guān)電源的性能

打開一臺(tái)傳統(tǒng)的開關(guān)電源，最顯眼、體積最大的無源元件通常就是變壓器。金屬磁芯配上厚重的銅線繞組，讓它在電路板上格外“突出”，幾乎決定了電源的最小物理尺寸。然而，消費(fèi)者希望電視要足夠輕薄、能夠掛在墻上；筆記本電源也要小巧、便攜、重量輕。那么，如何才能縮小這塊龐大的金屬組件呢？

縮小變壓器的體積并非易事，我們很快就會(huì)看到原因。長期以來，也沒有太多動(dòng)力推動(dòng)這一改變?；诠?MOSFET 和 IGBT 的開關(guān)電源通常工作在幾十千赫茲的范圍內(nèi)，而工作頻率直接決定了磁性器件所需的電感量，進(jìn)而決定了電感和變壓器的尺寸。

但這一切正在逐步改變。隨著寬禁帶（WBG）器件的出現(xiàn)，例如 SiC（碳化硅）和 GaN（氮化鎵），開關(guān)頻率正提升到數(shù)百千赫茲乃至更高（見圖 1），這也推動(dòng)了對(duì)更小型變壓器的需求。

圖 1：寬禁帶器件如 SiC（左）和 GaN（右）能夠在電源轉(zhuǎn)換中實(shí)現(xiàn)更高的開關(guān)速度，但要發(fā)揮其優(yōu)勢(shì)，相關(guān)無源器件也必須隨之改變。

傳統(tǒng)變壓器是如何構(gòu)造的？

在優(yōu)化這些關(guān)鍵元件之前，我們首先需要了解它們的構(gòu)造方式以及固有的弱點(diǎn)。傳統(tǒng)變壓器通常由兩個(gè)緊密耦合的銅繞組和一個(gè)金屬磁芯組成。交流輸入電壓施加在初級(jí)側(cè)，同頻率的信號(hào)會(huì)在次級(jí)側(cè)出現(xiàn)，其電壓大小由匝比決定。在理想情況下，次級(jí)側(cè)獲得的功率應(yīng)與初級(jí)側(cè)輸入的功率相同。然而，真正的挑戰(zhàn)也正是從這里開始。

在工作過程中，磁性材料內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生不必要的渦流，從而導(dǎo)致?lián)p耗；同時(shí)，磁場(chǎng)的持續(xù)變化也會(huì)帶來一定的磁滯效應(yīng)。這些因素共同構(gòu)成磁芯損耗。繞組本身及其電阻則是另一類主要損耗來源，通常稱為銅損（見圖 2）。這些損耗最終都會(huì)轉(zhuǎn)化為熱量，需要通過被動(dòng)或主動(dòng)散熱方式進(jìn)行處理。

圖 2：傳統(tǒng)變壓器的基本結(jié)構(gòu)示意及其主要損耗來源。

然而，隨著工作頻率的提升，一個(gè)新的挑戰(zhàn)隨之出現(xiàn)。我們通常認(rèn)為電流會(huì)利用導(dǎo)體的整個(gè)截面積進(jìn)行傳輸，但在高頻條件下，情況已不再如此。

隨著頻率逐漸升高，電流會(huì)被“推擠”到導(dǎo)體表面，更多地集中在外緣流動(dòng)，這就是我們熟知的“集膚效應(yīng)”（見圖 3）。這一現(xiàn)象會(huì)有效降低導(dǎo)體的載流能力，從而使導(dǎo)線的等效電阻顯著增加，帶來更高的損耗和需要額外散熱的熱量。

這也是為什么電磁爐等應(yīng)用會(huì)采用表面積更大的導(dǎo)線——即絞合漆包線（litz wire）。它由大量絕緣的細(xì)銅絲絞合而成，以提升高頻條件下的導(dǎo)電性能。

圖 3：隨著頻率升高，受集膚效應(yīng)影響，電流會(huì)集中在導(dǎo)體表面（紅色部分）。

還有另一類損耗來源。在工作過程中，流經(jīng)繞組的電流會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)，而這些磁場(chǎng)會(huì)影響相鄰導(dǎo)體中的電流分布，從而使導(dǎo)線的交流電阻進(jìn)一步增加。這類由鄰近導(dǎo)體磁場(chǎng)相互影響而引發(fā)的損耗，被稱為“近鄰效應(yīng)”。為應(yīng)對(duì)這一問題，一種稱為“交錯(cuò)繞制”（interleaving）的結(jié)構(gòu)方法應(yīng)運(yùn)而生，即將次級(jí)繞組分布在初級(jí)繞組之間（見圖 4）。

圖 4：通過交錯(cuò)繞制變壓器繞組，可有效降低近鄰效應(yīng)所導(dǎo)致的交流電阻。

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文章作者：Simeon Tremp，產(chǎn)品經(jīng)理