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

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.

Рис. 1. Планарный трансформатор

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.

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. 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

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

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 нескольких слоях 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 силового трансформатора для модуля питания СМПЕ150С

Рис. 7. Силовые трансформаторы общепромышленного и военного назначения

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

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