DC／DC模块电源穿孔平板磁器件的设计与应用

为提高该模块电源的功率密度，改善功率器件布置面积紧张问题，采用了将模块电源的PCB与穿孔平板磁器件平行安装的方式，如图2所示。可见，穿孔平板磁芯置于PCB的上方，未占用其表面，从而使PCB可放置更多的功率开关、控制器件，以实现更复杂的功能或更大的功率等级。

3 模块电源平板磁器件的分析和设计
该模块电源的变压器、电感器采用穿孔平板磁器件结构，其本质上也是矩阵式变压器的一种变形，下面对其设计进行具体介绍。
3．1 穿孔式平板变压器的设计与分析
穿孔式平板变压器由钻有通孔的平板磁芯和扁平铜线绕组组成。其中，穿孔式平板磁芯的结构与通常的磁芯区别较大。在平板磁芯上，以通孔为中心，各通孔与周围的磁材料构成一个磁芯单元。变压器的初、次级绕组从通孔中穿过，即相互交链，构成一个变压转换单元。在设计中，考虑到通孔的面积有限，次级绕组输出电流较大，在变压转换单元采用1：1匝数比的初、次级绕组设计。此外，磁芯单元采用相邻磁芯单元激磁电流方向相反的I型设计，使不同磁芯单元间的磁路耦合小到可以忽略，从而简化分析和设计。
在设计穿孔平板磁芯时，需确定穿孔的数目、穿孔孔径、平板面积和厚度等参数，而这些参数需要以磁芯不饱和、绕组可穿过、体积适当等作为基本约束条件。下面介绍设计中参数的确定过程。对于磁芯单元，与普通变压器一个明显不同是其内部磁感应强度分布不均匀。磁芯单元的激磁电感为：

式中：μ为磁芯的导磁率，单位为H／m；h为平板磁芯的厚度，单位为m；Rmax为磁芯单元的半径，单位为m；Rmin为磁芯通孔的半径，单位为m。
由式(1)可知，磁芯单元内磁感应强度的最大值出现在通孔的内壁处，最小值出现在磁芯单元的外边界处。在设计时，首先要保证通孔内壁的磁芯不饱和。由于初级绕组串联，变压器的整体激磁电感为各串联单元之和，即：

式中：Lm为初级激磁电感。
可见，穿孔平板变压器中的磁芯单元串联数n类似于普通变压器的绕组匝数N，通过选择初、次级磁芯单元的串联数目，就可实现所需的初、次级匝比。对有源箝位DC／DC电源而言，当一个主开关导通时，穿孔平板变压器内初级最大磁链ψ=UinDT，其中，Uin为直流输入电压，D为占空比，T为开关周期。每个磁芯单元的磁链为其1／n，那么磁芯单元的最大激磁电流为：

式中：f为开关管的工作频率。
由安培环路定律可知，穿孔平板磁芯磁感应强度最大值出现在主开关管即将关断时的通孔内壁处，其值为：

可见，在设计穿孔平板变压器时，需要对n，Rmin，h等进行选择，以达到不饱和要求。n越大，越不易饱和，而Rmin过大或过小时，磁芯则容易饱和。故设计一个外部尺寸基本确定的穿孔平板变压器时，需要平衡n和Rmin。