DC／DC模塊電源穿孔平板磁器件的設計與應用

為提高該模塊電源的功率密度，改善功率器件布置面積緊張問題，采用了將模塊電源的PCB與穿孔平板磁器件平行安裝的方式，如圖2所示。可見，穿孔平板磁芯置于PCB的上方，未占用其表面，從而使PCB可放置更多的功率開關、控制器件，以實現更復雜的功能或更大的功率等級。

3 模塊電源平板磁器件的分析和設計
該模塊電源的變壓器、電感器采用穿孔平板磁器件結構，其本質上也是矩陣式變壓器的一種變形，下面對其設計進行具體介紹。
3．1 穿孔式平板變壓器的設計與分析
穿孔式平板變壓器由鉆有通孔的平板磁芯和扁平銅線繞組組成。其中，穿孔式平板磁芯的結構與通常的磁芯區別較大。在平板磁芯上，以通孔為中心，各通孔與周圍的磁材料構成一個磁芯單元。變壓器的初、次級繞組從通孔中穿過，即相互交鏈，構成一個變壓轉換單元。在設計中，考慮到通孔的面積有限，次級繞組輸出電流較大，在變壓轉換單元采用1：1匝數比的初、次級繞組設計。此外，磁芯單元采用相鄰磁芯單元激磁電流方向相反的I型設計，使不同磁芯單元間的磁路耦合小到可以忽略，從而簡化分析和設計。
在設計穿孔平板磁芯時，需確定穿孔的數目、穿孔孔徑、平板面積和厚度等參數，而這些參數需要以磁芯不飽和、繞組可穿過、體積適當等作為基本約束條件。下面介紹設計中參數的確定過程。對于磁芯單元，與普通變壓器一個明顯不同是其內部磁感應強度分布不均勻。磁芯單元的激磁電感為：

式中：μ為磁芯的導磁率，單位為H／m；h為平板磁芯的厚度，單位為m；Rmax為磁芯單元的半徑，單位為m；Rmin為磁芯通孔的半徑，單位為m。
由式(1)可知，磁芯單元內磁感應強度的最大值出現在通孔的內壁處，最小值出現在磁芯單元的外邊界處。在設計時，首先要保證通孔內壁的磁芯不飽和。由于初級繞組串聯，變壓器的整體激磁電感為各串聯單元之和，即：

式中：Lm為初級激磁電感。
可見，穿孔平板變壓器中的磁芯單元串聯數n類似于普通變壓器的繞組匝數N，通過選擇初、次級磁芯單元的串聯數目，就可實現所需的初、次級匝比。對有源箝位DC／DC電源而言，當一個主開關導通時，穿孔平板變壓器內初級最大磁鏈ψ=UinDT，其中，Uin為直流輸入電壓，D為占空比，T為開關周期。每個磁芯單元的磁鏈為其1／n，那么磁芯單元的最大激磁電流為：

式中：f為開關管的工作頻率。
由安培環路定律可知，穿孔平板磁芯磁感應強度最大值出現在主開關管即將關斷時的通孔內壁處，其值為：

可見，在設計穿孔平板變壓器時，需要對n，Rmin，h等進行選擇，以達到不飽和要求。n越大，越不易飽和，而Rmin過大或過小時，磁芯則容易飽和。故設計一個外部尺寸基本確定的穿孔平板變壓器時，需要平衡n和Rmin。