主题：大功率系统给电感电容元件带来新挑战

新技术,现在虽然不一定用得到,知道总比不知道好,(转)
kex 发表于 2002-5-23 17:10:28 电源技术 ←返回版面   

大功率系统给电感电容元件带来新挑战
　
作者：Bill Travis

大功率系统中的磁感元件和电容性元件是体积最大的电路元件。其他元器件，如电阻器和功率MOSFET管，可以采用小而密致的表面贴装形式封装，地在生产线上自动装配。此外，电感器、变压器和电容器也是最难详细说明和选择的元器件。电阻器和开关元件在技术规格上只有不多的几项参数。与此相反，电抗元件则有很多的重要技术参数。以磁性元件为例，你必须考虑其电感值、绕组间的电容、串联电阻、漏电感、磁芯损耗、磁滞、磁饱和、以及趋肤效应损耗等等。对于电容器而言，你一定要查看它的极性、容量数值、等效串联电阻（ESR）、电压系数、串联电感、以及最大波纹电流等等。参考文献1中提示了详细说明磁性元件的某些奥妙之处。大功率系统用电抗元件的制造商正在设法缩小其元器件体积的同时，还在寻求提高产品性能的途径。

作为一个例子，Flat Transformer Technology公司在其变压器和电感器中采用了一种独特的磁芯配置结构，能在优化磁性元件性能的同时，缩小元件的物理尺寸。像参考文献2中所描述，在工作频率为250kHz或更高的电源系统中，变压器和电感器是很难确定其技术参数并进行设计的元件。为了优化元器件，你要进行复杂的计算，而这种计算往往又是在缺乏有关磁芯材料数据的情况下进行的。管理也是一个难题：变压器中不均匀的热扩散会产生某些热点，从而导致变压器过热。常规变压器采用的方法是在单个磁芯上做上多个绕组（图1（a））。Flat Transformer Technology公司则与此相反，在多个磁芯上用一个单一的初级绕组（或匝数很少）（图1（b））。次级绕组由粘接到矩形铁氧体磁芯内表面的一对铜片组成。绕组沿着180°的螺旋式通路进而成.当你对通过磁芯的单一初级绕组加套管时,在初级绕组和次级绕组之间就能得到紧密耦合.此外，拓扑结构也显示漏电感很低：一般约为4nH/匝2。

Flat Transformer Technology公司对其产品系列采用一种模块式方案。例如，一个FTI-12×2A-1B模块用两个铁氧体磁芯并提供顶板和底板，其延伸部分可以连接整流器。次级绕组是沿着180°螺旋通路绕制的一对铜片,按照这种排列,每个磁芯的相对各端就是同一绕组的各端.次级绕组粘接在铁氧体磁芯的内绕组上.热传递只在铁氧体磁芯的薄壁进行.初级绕组不用模块设计,而是由用户自己决定初级绕组导线数量。根据对电源设计的要求,用户可以组合任何数量的模块，并调整初级绕组的绕线数量以获得预期的匝数比和电流量。参考文献1给出了几种设计范例。

值得注意的是：FT模块中也有一个铁粉磁芯，在既要用变压器也要用电感器的电源设计中，铁粉磁芯可用来配置电感器。图2所示是用三个FT模块和一个附加电感器组成的300W半桥式电源级，也可以做成FT模块形式。这种设计采用的开关频率为550kHz。所用22μF的电容器是多层陶瓷电容器.该公司宣称，电源的变压器/电感器部件的效率为98.5%,只用变压器为99.8%。

Signal Transformer公司在其平面型变压器系列中采用另一种结构形式。如参考文献3中所述，该公司采用的不是将铜线缠绕在铁氧体磁芯上，而是采用铜引线框架或是一个至几个蚀刻在薄片介质材料上的扁平铜螺旋体组装成变压器。这种螺旋体或引线框架叠装在扁平的高频铁氧体磁芯上以形成磁回路。引线框架或螺旋体内的高温绝缘体可确保绕组之间的高度隔离。椐该公司称，这种平面结构的器件能在高频工作时提供高效率和高功率，并具有良好的高压隔离、小的寄生电抗、重量轻、重复性好、以及低矮的外形。

Signal Transformer公司还声称，平面变压器在开关频率达到500kHz时，效率一般为97%。因为常规变压器都是将圆柱形导线缠绕在铁氧体磁芯上，因此，不能最有效地利用铜导体的表面导电性能。因为高频电流集中在导线表面的附近（趋肤效应），趋肤效应就会降低有效传导性能。而在平面型变压器里，其“绕组”是做在4盎司敷铜印制电路板上的扁平传导导线。扁平的几何形状降低了开关频率较高时趋肤效应的损耗。参考文献4、5和6中介绍了几种配置不同类型线性和开关电源的参考设计。

除了平面磁性元件外，Signal Transformer公司也提供采用常规结构技术较多的其他器件。例如，电源电感器FDCI系列采用鼓形铁氧体磁芯，能在高温时以高磁通密度工作。磁芯上涂覆有耐高压1000V的环氧树酯薄膜，并外加套管以保持电感器的外表。其技术规格包括：电感范围为1～23.9mH；可通过直流电流为21A。铁粉压成的螺旋形PTI系列电感器，在铁粉磁芯内本来就有气隙分布。椐该公司说，这种有气隙分布的结构会降低材料的磁导率，提高储能的能力，从而有可能在既定的额定值下，把电感器做得更小。

位于西班牙的Philips AC & M公司对电感性元件采用的又是另一种结构方法。该公司用的是一种小型单件模压铁氧体磁芯，磁芯上刻有0.75mm的刻槽，将铜引线框架插入磁芯。引线框架上的10根引线，每根从磁芯刻槽的一端穿到另一端并弯折成标准的鸥翼形状，构成电感性绕组的半匝；印制电路板上铜连线则完成另外的半匝。结果使电感性元件也和IC一样，可以用高速自动装配机进行装配安装。集成的电感性元件（叫作IIC）已上市的有三个系列：功率转换器件、电磁兼容性元件和信号处理器件。

电感器变得更小

由于不可逾越的物理规律，磁性元件不可能做得太小。但是，尽管器件体积较大是不可避免的，变压器和电感器的制造商们还是在设法生产表面贴装的器件系列。具备表面贴装能力是众所企盼的，因为这样就可以取消专用的插装和焊接操作。电流额定值大的大多数元件都用“开框”式结构，你可以看到其中的绕组。电流额定值中等的表面贴装电感器，采用屏蔽的或非屏蔽的闭合式封装。Flat Transformer Technology公司生产的上述开框式电感器有两种板上高度：7mm和10.5mm（最大）。三种型号为：FI-7A04、FI-5A10、和FI-12A02，直流额定电流分别为7、5和12A。

Flat Transformer公司的电感器用的“足气隙均匀分布的低损耗铁硅铝磁合金粉末材料，这种材料不含有机成份，因而也没有热老化问题。该公司称，铁硅铝磁合金粉末的损耗比铁粉的损耗低50%。这三种型号的额定电感量分别为6、8和3μH；不过请注意：这些数值只适用于无直流电流的条件。图3（a）显示了电感量与直流偏置电流的函数变化关系。在额定电流下，相应的额定电感量分别下降到4、10和2μH。图3（b）所示为在没有强风冷却或散热条件下，电感器温升与直流电流的函数关系。

Associated Components Technology（ACT）公司有几个系列的开框式表面贴装电感器，覆盖虬流范围为50mA至20A。SD系列有六种尺寸：4×3、5×4、6×4、7×5、8×5和10×6mm（直径×高度）。尺寸最小的电感器提供的电感量范围从370mA时的68μH到2.56A时的1μH。最大的范围为250mA时的820μH到3A时的10μF。ACT公司最大的表面贴装电感器——SPI系列器件，上市的有三种尺寸，电感量范围为1～1000μF，饱和电流为300mA～20A。据Gowanda Electronics公司称，该公司的SMP3308LP表面贴装电感其高度为最矮：0.1英寸（最高），标准电感最范围为1～4700μH，规定的直流饱和电流可高达9A。Gowanda公司的另一种产品——SMT3106，是一种表面贴装环形元件，电感量规格为1～1000μH，能通过的最大直流电流为4A，Abracon Corp公司也提供开框式表面贴装的电感器，电感量范围为1～1200μH，通过直流电流可达20A。

额定值较低的表面贴装电感器，封装自然会更小。这些封装都带有屏蔽的或非屏蔽的盖。例如，Coilcraft公司的器件用的是陶瓷盖，对最矮的高度、最小的面积、或最大的电流可进行选择。LPO2506IB系列的板上高度只有1.19mm，电感量为4.7～1000μH，直流饱和电流可达1.6A。LPT1606系列中面积小的DO1606，尺寸仅为5.3×6.5mm,，规定的电感量为1～1000μH，直流饱和电流可达2.5A。板上高度为1.9mm的大电流LPT3305系列，提供的电感量为1～47μH，规定的直流饱和电流为6A。Vishay Dale公司生产板上高度只有1.19mm的表面贴装电感器。带屏蔽的ILS-3825型产品的电感量为4.7μH或10μH，额定电流分别为1.2A和1A。Bourns公司也提供一系列超小型表面贴装电感器。SRRO603和SRR0604系列规定的板上高度分别为3mm和4.8mm。这两个系列提供的电感量为3.3～1000μH，能通过的最大均方根电流分别为1.8A和2.3A。

针对电源系统的电容器则采用了各种内部化合物和机械结构方案。你可以选择薄膜电容器、固体电介质或液体电介质电容器，或是多层陶瓷电容器。历史悠久的铝电解电容器是1908年问世的，用的是液体电解质和腐蚀铝箔制造。固体钽电容器用二氧化锰作电介质。薄膜电容器用的是金属化聚酯薄膜、聚丙烯，聚酯、聚碳酸酯、或聚四氟乙稀等薄膜做介质。多层陶瓷电容器的电容量越来越高，在某些应用中，已有可能取代电解质电容器。最便宜的大容量滤波电容器，传统使用的是铝电解电容器。但是有些铝电解电容器有使用寿命有限的特点，因为电介质会因时间长而变干，结果电容器便失效。

Sanyo Video Components公司开发了另一种类型的铝电解电容器，该公司称之为Os-Con。这种电容器采用有机的半导体型的电解质。Sanyo公司声称，Os-Con在高频应用、高温作业和承受波纹电流等方面的性能，远胜于铝和钽电解质电容器；而在使用寿命上，显然比铝电解质的长，与钽电容器不相上下。Sanyo公司指出了，Os-Con电容器与铝电解电容器在寿命上递降因素间的根本差别。对于Os-Con电容来说，温度每升高20℃,寿命下降程度加大10倍.对于铝电解电容器来说,温度每升高10℃，寿命便减半；在105℃时,额定工作时间为2000小时,期望使用寿命为65℃时达32000小时，或3.6年，和45℃时为128,000小时，或14.6年。对于额定值相似的Os-Con，这些数字就分别为200,000小时，或22年，和200万小时，或220年。

Sanyo公司还把其有机-半导体技术，延用到其新的Pos Cap系列固体电解质片式电容器的钽介质上。该公司声称，这种电容器显示出的ESR比大多数钽电解电容器的都低，工作也更安全，特别是在短路状态时，表面贴装电容器的可用容量为2.2～680μH,额定电压为2.5～16V。ESR的范围为40～100mV，最大允许波纹电流范围为1～3A（均方根值）。说到ESR，有利于电容器的是你可以并联几个电容器，其数值是叠加的结果（与电感器不同）。许多电源设计要求并联几个等值电容器，使ESR降为并联电容器数量的一个分量。

不过化学工业在此期间也在进展，铝电解电容器继续获得广泛应用，并不断改进其性能及可靠性。例如，Cornell-Dubilier公司的550C反相器类电容器，就把低ESR值与15000小时全额寿命组合起来，用于电动机的驱动和反相器的应用上。550C的电容量在200V时可高达35000μF，450V时可达8100μF。额定波纹电流在120Hz和85℃时，可高达45A。期望工作寿命在额定条件下为15,000小时，在65℃和80%额定波纹电流时，为100,000小时。Cornell-Dubilier公司还提供一种Java程序，“工作寿命与温度计算机法”，请查网址：www.cornell-dubilier.com/new frame12.htm。

United Chemi-Con公司也提供新的和经过改进的铝电解电容器。U787D的最高工作温度可达150℃，使这种电容器完全胜任汽车中的应用。该公司还开发了一种环形铝电解电容器，即UTOR系列。环形还表示有较高的波纹电流承受能力，因为你可以用强风、散热器或常用的液体使电容器芯子降温。UTOR在150℃全额波纹电流时，额定寿命为5000小时。上市的这种元件的电容量在直流电压350～450V时，为1500～6800μF。

经过时间考验，薄膜型仍生机勃勃

在电抗元件家族中，金属化薄膜电容器是最老的成员之一。在塑料问世之前，用的是金属化纸。薄膜电容器在许多大功率系统中有用武之地，如针对绝缘栅双极晶体管（IGBT）的缓冲器网络。现代的塑料制造工艺已可以生产出极薄的薄膜，而电容数值却很高。塑料薄膜的均匀性，获得了优良的电压击穿特性。例如，Seacor公司生产的各种高脉冲聚丙烯电容器可以用来限制（缓冲）IGBT中的dV/dt。MKPI 337-339系列，在直流电压额定值为1000V和2000V时，提供的电容量为0.1～1.5μF。和电解电容器不一样，薄膜电容器的绝缘电阻几乎可以是无限的：MKPI 337-339为100GW。

Electronic Concepts Inc(ECI)公司有其他系列的薄膜电容器，目的是取代电解电容器。据ECI公司自称，UL30系列（也叫Unlytic）的处理电流能力是电解电容器的10倍，过压保护能力比电解电容器大3倍以上。另外，这些器件是无极性的，规定的储存期为10年。UL30薄膜电容器封装在电解电容器式的铝壳中，已上市的UL30薄膜电容器的电容量可达1600μF，直流电压额定值200～1000V。薄膜电容器可处理很大的电流：均方根电流36～58A和峰值电流2015～6210A。薄膜电容器的ESR也较低，UL30系列的只有3.1～15.2mW。

在各种电容器中，薄膜电容器并不是唯一一种取代电解电容器的。Murata Electronics公司建议以其多层陶瓷电容器（MLCC）取代片式钽电容器。Murata公司声称，因为在旁路和去耦应用中，MLCC显示了较低的阻抗和ESR，所以在既定应用中，钽电器顺中的二分之一到十分之一可用MLCC电容器取代。MLCC的优点还包括电容量随频率的稳定性好（钽电容器在频率高于100kHz时，容量即迅速下降），电感较小（因此高频时阻抗较低），ESR也相当低。Murata公司以其表面贴装外壳标准尺寸为0603、0805、1206和1210的电容器取代钽电容器。陶瓷电容器上市的是X7R系列，温度稳定性好，还有Y5V系列，温度稳定性稍差，但电容量很大。上市的MLCC电容量为0.1～22μF，额定电压为3～35V。Taiyo Ynden公司也推荐其MLCC取代电解电容器。该公司采用镍电极的MLCC系列（MLCC传统用的是钯电极），电容量为0.1～100μF。

进入超级电容器时代

“超级电容器”或“特优电容器”以静电方式通过把电解液极化而存储能量。虽然超级电容器是电化学式的，但在存储能量机理中并无化学反应参与（和电池不一样）。你几乎可以对超级电容器进行无限次的充放电。Maxwell Technologies公司的Power Cache超级电容器系列在2.3V时电容量可达2500F。（此处原文如此，可能有误，请袁先生核实。）PC2500型能保持7200J的能量可即时提供大功率。这种器件在猝发供电和延长电池使用寿命中，会有益于由电池供电的系统。PC2500的ESR为1mW，额定稳态电流为400A。这个电流是2667A峰值瞬时功率时的15％。

AVX公司市售的超级电容器的新系列定名为Bost Cap。在电容数值上比Maxwell公司的超级电容器低0.06～0.2F的Best Cap，目的是取代铝电解电容器。超级电容器提供的单位容积能量为铝电解电容器的10倍以上。这种元件也适用于混合电池组的应用，可以延长电池使用寿命。额定值为5.5V时，Best Cap的规定ESR为70～250WV。这种元件采用，一种水溶的化学工艺，对环境有利而无害。经过改进的老技术和全新技术的同时采用使电抗元件正在跟上系统功率日益提高的要求。随着半导体器件的发展，磁性元件和电容器的密集度、效率和性能也在不断地提高。

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