Силовая электроника №1'2004

Применение планарных силовых трансформаторов и плат на алюминиевой подложке в современных источниках питания

Вячеслав Макаров
Александр Рушихин


Современные требования к снижению размеров и веса импульсных источников питания вынуждают разработчика искать компромисс между его стоимостью и габаритами, добиваться снижения массы и повышения КПД. Очень многое уже сделано для миниатюризации импульсных источниках питания — созданы специализированные микросхемы управления, мощные ключи с низкими потерями и, казалось бы, до мелочей отработана конструкция.


 

В то же время для силовых трансформаторов и дросселей приходится применять классические компоненты с проволочной намоткой, которые за счет применяемого каркаса увеличивают массу и габариты источника питания.

Другая известная проблема — это традиционно высокое тепловыделение ИП, мощных ключей и силовых плат управления приводами электродвигателей — всех тех элементов радиоаппаратуры, которые мы называем силовой электроникой. К этому надо еще добавить высокие рабочие напряжения и потенциалы подобных устройств.

Однако современные технологии печатных плат, представленные на российском рынке совместной российско-шведской компанией «НКАБ-ЭРИКОН» и реализованные в серийном производстве российской компанией ММП «ИРБИС», позволяют повысить надежность и технологичность индуктивных элементов любого источника электропитания и отвести избыточное тепло.

Впервые разработанные в конце 80-х годов планарные силовые трансформаторы (рис. 1) не получили широкого распространения из-за сложной технологии изготовления, которая остается непростой и в настоящее время.

Рис. 1. Планарный трансформатор
Рис. 1. Планарный трансформатор

Но постоянное совершенствование технологического процесса в последние годы позволило существенно снизить стоимость силовых трансформаторов и дросселей и сделать их конкурентоспособными на современном рынке источников электропитания.

Их преимущества по сравнению с традиционными проволочными изделиями:

  • малый вес — 15 г на 100 Вт мощности;
  • особо высокая надежность;
  • малая индуктивность рассеяния, низкие потери на высокой частоте;
  • широкий рабочий диапазон частот: от 50 кГц до 1 МГц;
  • КПД более 98% и хорошее охлаждение конструкции позволяют передавать мощности от десятков ватт до единиц киловатт;
  • рабочая температура от –40 до +130 °C;
  • рабочие напряжения между обмотками более 1000 В;
  • хорошая повторяемость параметров из-за применяемой технологии изготовления;
  •  возможность автоматизированной сборки;
  •  низкая высота силовых трансформатора, совместимая с SMD-компонентами.
  • При необходимости высоту можно уменьшить, применяя обмотки на полиимиде (рис. 2);
  • возможность увеличивать мощность силового трансформатора, используя пакеты из обмоток (рис.3).
Рис. 2. Обмотки на полиимиде
Рис. 2. Обмотки на полиимиде
Рис. 3. Пакеты обмоток трансформатора
Рис. 3. Пакеты обмоток силового трансформатора

Сегодня использование планарных трансформаторов в единичных экземплярах остается нецелесообразным по соображениям их высокой стоимости. Но уже в партии эта стоимость становится приемлемой, а в серийном производстве — значительно ниже стоимости традиционных аналогов. При этом преимущества характеристик неоспоримы.

Используя открывшиеся перспективы, ММП «ИРБИС» разработало новую серию источников питания СМП50…СМП150 с использованием бескаркасных магнитных компонентов со следующими техническими и энергетическими характеристиками (см. таблицу, рис. 4).

Рис. 4. График зависимости КПД от выходной мощности для модуля СМПЕ150С (Uвых = 15 В) при Uвх = 48 В
Рис. 4. График зависимости КПД от выходной мощности для модуля СМПЕ150С (Uвых = 15 В) при Uвх = 48 В
Таблица. Технические характеристики модулей питания СМП50...СМП150
Таблица. Технические характеристики модулей питания СМП50...СМП150

Высокочастотный преобразователь напряжения данной серии модулей питания выполнен по двухтрансформаторной схеме, представленной на рис. 5.

Рис. 5. Высокочастотный преобразователь напряжения
Рис. 5. Высокочастотный преобразователь напряжения
Преимуществами такой схемы являются:

 «мягкое» переключение силовых транзисторов, отсутствие выбросов напряжения на них и как следствие — возможность использования более низковольтных транзисторов с меньшим Rdson;

полный цикл перемагничивания сердечника силового трансформатора (работа в первом и третьем квадрантах B-H плоскости);

широкий диапазон рабочих токов нагрузки от холостого хода до Iнmax;

высокий КПД.

Кроме того, в комбинированной схеме отсутствует выходной дроссель, его роль выполняет обратноходовой транс-дроссель Т2, который по параметрам аналогичен прямоходовому силовому трансформатору Т1, что упрощает и унифицирует производственный процесс.

Силовые трансформаторы Т1 и Т2 выполнены на планарных сердечниках ELP22 (материал N87), обмоткой служит многослойная печатная плата. Важными преимуществами планарных магнитных компонентов являются:

  • малые размеры;
  • малая индуктивность рассеяния;
  • отличная повторяемость параметров;
  • наилучшие свойства теплоотдачи.

Измерения рабочих параметров планарных трансформаторов с обмотками, выполненными на базе многослойной печатной платы, показывают, что тепловое сопротивление этих устройств значительно ниже по сравнению с обычными силовыми трансформаторами с проволочной намоткой при том же эффективном объеме сердечника Ve. Это обусловлено более высоким отношением площади поверхности сердечника к его объему. Таким образом, имея повышенную охлаждающую способность, планарные трансформаторы способны справляться с большей плотностью проходной мощности, при этом удерживая рост температуры в допустимых пределах.

По исходным данным, предоставленным специалистами компании ММП «ИРБИС», проектирование и изготовление многослойных печатных плат силовых трансформаторов Т1, Т2 выполнила российская фирма «НКАБ-ЭРИКОН». Витки первичной и вторичной обмоток располагаются в несколькихслоях печатной платы, в одном слое находится один виток. Между первичной и вторичной обмотками обеспечивается гальваническая развязка 1500 В.

Для таких плоских медных дорожек потери в меди на переменном токе, обусловленные скин-эффектом и эффектом близости, оказываются меньше, чем для круглого провода с той же площадью поперечного сечения. Однако, по возможности, необходимо исключить попадание витков обмотки в зону воздушного зазора, где индукция является максимальной и направлена перпендикулярно плоскости намотки.

Еще одним положительным моментом является то, что при расположении обмоток одна над другой улучшается магнитная связь и достижимы значения коэффициента связи, близкие к 100%.

Таким образом, практическое применение планарных трансформаторов с многослойными печатными платами (рис. 6) в сочетании с эффективной электрической схемой (рис. 5) подтвердили возможность получения высокой удельной мощности 3390 Вт/дм3 при габаритных размерах модуля питания 61O58O12,5 мм. Рекомендуемые области применения:

  • силовые трансформаторы и дроссели в преобразователях различного типа;
  • силовые трансформаторы общепромышленного и военного назначения в изделиях повышенной надежности;
  • оборудование, требующее применения низкопрофильных элементов для совмещения с SMD-компонентами, а также точного нормирования паразитных параметров силовых трансформаторов и минимизации потерь в них;
  • силовые трансформаторы общепромышленного и военного назначения (рис.7);
  • сигнальные трансформаторы телекоммуникационных систем (рис. 8).
Рис. 6. Пример использования многослойной печатной платы в качестве обмотки трансформатора для модуля питания СМПЕ150С
Рис. 6. Пример использования многослойной печатной платы в качестве обмотки силового трансформатора для модуля питания СМПЕ150С
Рис. 7. Силовые трансформаторы общепромышленного и военного назначения
Рис. 7. Силовые трансформаторы общепромышленного и военного назначения
Рис. 8. Сигнальные трансформаторы телекоммуникационных систем
Рис. 8. Сигнальные трансформаторы телекоммуникационных систем

Применяющиеся в силовой электронике для отвода тепла платы на алюминиевой подложке представляют собой конструкцию (рис. 9) из теплоотводящей подложки, диэлектрика и слоя медной фольги. Конструкция может быть многослойной и иметь переходные отверстия. Теплоотводящая подложка обычно алюминиевая. Она существенно дешевле поликоровой или титалановой (Al +Ti2O3) и может использоваться в массовом производстве. Кроме того, позволяет в несколько раз увеличить токовую нагрузку печатных проводников платы.

Рис. 9. Плата на алюминиевой подложке
Рис. 9. Плата на алюминиевой подложке

Диэлектрический слой при толщине 50–150 мкм обеспечивает пробивное напряжение 6–14 кВ и тепловую проводимость 1,1–2,2 кВт/(м2°С). Толщина медной фольги составляет 35–350 мкм. Технологический процесс изготовления этих печатных плат аналогичен техпроцессу для FR4, но имеет особенности проектирования, связанные с применением толстой фольги и традиционно высоким напряжением в силовых цепях.

На рис. 10 приведен пример конструирования узла РЭА с применением описанного диэлектрика.

Рис. 10. Пример конструирования узла РЭД
Рис. 10. Пример конструирования узла РЭД

Литература

  1. Лукин А. В. Основы теории высокочастотных транзисторных преобразователей нового поколения с уменьшенными коммутационными потерями.
  2. Mulder S.A. Application note on design of low profile high frequency transformers. Ferroxcube Conponents. 1990.
  3. Жикленков Д. В., Макаров В. В. DC/DCпреобразователи открытого типа // Практическая силовая электроника. 2002. № 6.
*  *  *

Другие статьи по этой теме


Скачать статью в формате PDF

Скачать статью в формате PDF 2004_01_70.pdf  

 
ПОДПИСКА НА НОВОСТИ

Оцените, пожалуйста, удобство и практичность (usability) сайта:
Хорошо
Нормально
Плохо