平面变压器及平面集成磁技术
平面变压器及平面集成磁技术*
于庆广1，宾雄辉1，王晓慧1，杨玉岗2
（1. 清华大学，北京 100084；2. 辽宁工程技术大学，辽宁 阜新 123000）
* 基金项目：国家自然科学基金资助项目（项目资助号：50207004）
收稿日期：2004-03-22 通讯作者：于庆广 作者简介：于庆广（1966－），男，博士，副教授，主要研究方向为电力传动及其自动化。
宾雄辉（1973－），男，工程硕士生，主要研究方向为电力电子技术。
摘 要：采用平面变压器和平面集成磁技术可以显著降低磁性器件的高度，减小磁性器件的体积和重量，提高磁性器件的功率密度，可以实现开关电源“轻、小、薄”的要求。本文综述了平面变压器的现状和磁集成技术，介绍了最新的亚微米平面变压器的制备和特点，提出了研究平面集成磁件需要解决的关键技术问题。最后，对平面集成磁技术进行了展望。 关键词：平面变压器；亚微米变压器；平面集成磁件 中图分类号：TM462 文献标识码：A 文章编号：1001-9731（2004）增刊
1 引 言
随着现代电力电子技术向着高频化、绿色化、集成制造、平面化以及高功率密度方向的发展，对磁性器件的设计和制造提出了新的要求，如器件的小型化、片式化、高频化、集成化、平面化、模块化、高性能、高效率、低损耗等。这就要求作为电力电子领域关键器件的磁性器件有更大的开拓发展，在结构、性能和外形尺寸上需作更大的改进和提高。而采用平面变压器和平面集成磁技术能实现磁性器件的“小、轻、薄”[1]。近几年，随着软磁材料向着高频率、高磁导率、低损耗方向发展以及片式化表面安装技术的发展，人们对平面变压器及集成磁技术的研究已越来越重视[21~23]。美国亚特兰大大学的Jae.Park 研制出的小型平面变压器最小尺寸为2.6mm ×2.6mm ×70μm [2]，并采用磁性Mn-Zn 铁氧体与高分子聚合物复合材料，用丝网印刷、光刻和线圈制板等技术制成了可以用于表面安装和集成的小型平面变压器[3]。集成磁技术[4]就是把开关电源中所有主要磁性器件（如电感和变压器、多个电感、电感和电容、变压器和电容等）从结构上集中在一起，用一个磁性器件来实现。分立磁件集中后的磁件被称为集成磁件，集成磁件可以减小器件的数量，减小磁性器件的损耗、体积、重量，提高
开关电源的效率和功率密度，改善滤波效果及开关电源的性能。将平面变压器和平面电感、平面电容等平面磁件集成起来就形成了平面集成磁件。我国在小型平面变压器方面的研究发展缓慢，集成平面变压器的研究还未见报道，但在适用于平面变压器使用的铁氧体材料研究方面具有较高的水平。清华大学承担的863计划“新一代高性能片式电感材料的研究”，研制了一系列高磁导率的高频、甚高频低烧铁氧体材料，烧结温度在900℃以下，磁性能达到国际先进水平，为研制开发集成平面磁件提供了坚实的基础和必要的条件[5]。平面变压器及集成磁技术已成为电力电子领域的一个重要研究方向，磁性器件集成技术的出现与发展将使在具有同等性能指标下的磁芯利用率高，磁性器件尺寸更小，同时在节能节材方面产生了显著的经济效益和社会效益。
本文综述了平面变压器和磁集成技术的国内外现状，介绍了将应用于平面集成磁件的新型亚微米型平面变压器的制备和特点。
2 平面变压器的特点及分类
2.1 平面变压器的特点
平面变压器（planar transformer ）是一种呈低高度扁平状或超薄型（low profile ）的变压器，其绕组一般是由折叠式铜箔、印制电路板上的印制铜线或直接沉积于磁性薄膜上的铜线条构成，高度远小于传统变压器[1]，是近年来高频变压器的一种新结构型式。它的主要用途在于直流开关电源（AC-DC 变换、DC-DC 变换），可广泛应用于电子计算机、游戏机、数字音响、移动通讯、数字电视等开关电源和卡片式UPS 电源等，此外，它还可用于ISDN 网络之间的信号传输和电隔离等。90年代戴宁用二维有限元法研究了交流电阻和漏感均最小的绕组结构，开发了薄型平面变压器的设计软件，他的研究结果认为：“PCB-
铜箔”组合是最佳的，绕组布置最好是S-P-S-P排列，S表示次级绕组，P表示初级绕组[6]。平面变压器与传统电源变压器相比有以下特点：
（1）采用平面磁芯，由于窗口形状变为扁长形，降低了磁回路和电回路的利用率。热通道距离短，温升低。
（2）磁芯结构的平面化必然带来绕组结构的平面化，从而带动了对平面结构绕组的研究，如原副绕组的交叠结构、匝间换位结构等。这样可使变压器的原副绕组实现紧密耦合，从而可以减小漏感和绕组涡流损耗。
（3）工作频率高（50kHz~2MHz）；效率高（98%~99%）；体积小，相当于传统变压器的20%；漏感小（＜0.2%）[7]。
（4）平面变压器具有较大的散热面积，且使磁件热点到磁件表面的热阻降低，从而能改善热耗散问题，能实现高磁通密度，并能采用紧封装来实现高功率密度。
（5）平面变压器技术能大幅度减小变压器的生产成本和销售价格。因它能减轻电路中其它部件承受的应力，故变换器电路中其它部件可采用低功率器件，由于散热条件好，从而可用很小的散热器。
（6）适合于自动化表面贴装（SMD），可较好地实现低压大电流输出[1]。
2.2 平面变压器的分类
平面变压器按设计制作工艺的不同，可分为印刷电路（PCB）型、厚膜型、薄膜型、亚微米型4种。
2.2.1 PCB型变压器
印刷电路PCB（printed circuit board）型变压器可省去绕组骨架，能增大散热面积，能减小在高频工作时由集肤效应和邻近效应所引起的涡流损耗，也能增大电流密度，其电流密度最高可达20A/mm2，功率大，工艺简单。但用PCB，窗口利用率低，仅为0.25~0.3，传统变压器的窗口利用率为0.4，其体积也较大。美国Multisource Technology公司和以色列Payton Industries Ltd公司推出的PCB型变压器其功率可高达20kW，频率可达兆赫数量级[8]。PulseEngineeringInc.(普思公司)采用pulse的平面技术，多层PCB夹在磁芯之间，制作了一种30W薄型高效铁氧体平面变压器，其底部面积小，高度只有7.4mm，工作频率为150~750kHz，工作温度为-400~1300。
2.2.2 厚膜变压器
厚膜变压器是为了克服薄膜变压器中导体电阻大的缺陷而提出的。Peter Barnwell等以氧化铝作基体，采用厚膜工艺，在其上、下表面各印制了初级和次级绕组，用Philips公司3F3铁氧体制作的平面变压器在2MHz，输出功率为75W时，效率达85%[9]。厚膜工艺制造出的平面变压器效率一般较低，因此寻求更进一步的工艺技术以完善平面变压器制造中的厚膜工艺是实现平面变压器高频集成化的关键。
2.2.3 薄膜型变压器
薄膜型变压器是一种用磁性薄膜研制的叠层微型变压器，采用薄膜后高度低于1mm，工作频率超过1MHz，其体积小，易于集成，但只适用于小功率情况。它们绝大多数采用金属磁性材料，如坡莫合金、铁硅铝和非晶合金。主要是因为它们有高BS和高磁导率。Tsuijimotl等人用带式（铜厚35μm，长34mm，宽3mm）加以绝缘膜(厚100μm)，非晶CoNbZr膜（1.8μm）构成一种能在高频下输出电压可控的薄膜变压器——针孔型变压器，还制成了厚度为210μm 的片式变压器。它是采用两层10μm厚的CoZr非晶薄膜做成的，用于5V、0.3A、1MHz的开关电源，变压器的效率可达77.5%[10]。铁氧体材料（以MnZn 系为主）也可以制成薄膜型变压器，但用常规的方法很难制出合适的微型磁膜，故需开发新的成膜技术。目前国外主要采用PVD、CVD等沉积技术配合化学蚀刻，激光烧蚀法、光照射低温镀膜法等成膜技术。Yamaguchi K等设计制作的微型变压器，其面积只有2.4mm×3.1mm，在10MHz时效率可达67%[11]。
2.2.4 亚微米型变压器
亚微米变压器是利用化学法合成，采用低温(900℃)烧结的NiCuZn铁氧体为介质材料，以Ag为内电极，用流延和丝网印刷技术的方法制备而成的，其体积小、质量轻、易于集成、工艺简单[5]。由清华大学材料系新型陶瓷与精细工艺国家重点实验室制备的两种片式亚微米型变压器，外形尺寸分别为 2.1cm×2.1cm×1mm(外形图如图1所示)和8mm×8mm×1mm，设计变压比分别为6和4，工作频率为1~10MHz[5]。
由图1可知，亚微米型平面变压器结构新颖，改变了传统变压器的结构特征，将变压器原边和副边绕组采用丝网印刷技术烧制在铁氧体材料中，外型类似表贴的集成电路器件。对亚微米型平面变压器的电气性能测试表明：①空载情况下，变压比先随着输入电压的增加而增大，而后随着输入电压的增加而减小，
在一定输入电压 范围内达到最大值。另外，变压比随着输入信号频率的增加而增大。②在一定输入频率和电压情况下，输出功率随负载的增大先升高再降低，存在一个输出功率最大的负载电阻值。③在一定输入电压和输出负载的情况下，随着输入电压频率的增加，变压器的变压比逐渐增大，当输入电压频率高于某一临界值后，变压比基本保持不变。波形畸变程度随着输入电压频率的增加而减小。④在一个固定输入频率下，存在一个饱和负载电阻值，当负载电阻值小于饱和负载电阻值时，则变压器的输出电压随负载增大而增大，但当负载电阻值大于饱和负载电阻值时，输出电压的变化很小或基本保持不变。随着频率的升高饱和负载电阻值逐渐增大。在负载电阻值等于饱和负载电阻值时，变压器的变压比基本不随输入电压的变化而变化，但随着输入电压的升高，输入输出电压的波形畸变程度增强。
图1 一种亚微米型平面变压器外形图 Fig 1 Outline of the Planar Submicro transformer
3 集成磁技术
3.1 集成磁技术
集成磁技术是随着开关器件和软开关技术的发展，用提高工作频率的方法实现开关电源的小型化，轻量化，但又受到磁性器件特性的限制而提出研究的。因频率的提高，会使磁性器件的磁芯损耗（磁滞损耗、涡流损耗、剩余损耗）显著增加，故高频工作时磁芯一般要降额使用，磁芯的利用率降低，限制了磁性器件体积的进一步减小。为了能进一步减小磁性器件的体积、质量和损耗，就要采用磁集成技术。国外最早研究磁件集成是1928年G.B.Grouse 提出采用磁件集成用于滤波电路中的耦合电感，其目的是为了减少电感数量和电感体积，而非改善滤波[12]。到了1971年，J.Ceilo 和H.Hoffman 采用磁件集成用于推挽变换器中，将变压器和电感集成在一起。70年代末，Slovodan.Cuk 将磁集成技术成功地应用在Cuk 变换器[13]，引起了人们对磁集成技术的关注。自从Cuk 第一次提出了磁件集成化的思想后，磁件集成技
术发展很快，从而磁集成技术进入了多种磁件集成的时代。与国外相比，我国对磁集成技术的研究十分有限，国内对磁集成技术的介绍从20世纪90年代才开始。1997年Wei Chen 将倍流整流电路的两个滤波电感和变压器进行集成[14]，使器件集成在大电流输出的场合具有了很好的应用价值。
实现磁集成技术主要有以下几种方法： （1）多个分立磁件磁集成
充分利用各个磁件在具体电路拓扑上电压、电流关系以及磁路拓扑的磁通、磁势关系，实现多个分立磁件集成在一幅磁芯上，以减小体积、降低损耗。如把正反激变换器中的变压器和直流输出滤波电感集成在一个铁芯上，有效地降低了公用磁柱的交变磁密及直流磁密，从而减小了磁件的体积、重量，变换器满载时的效率不低于88%[15]。集成磁件结构示意图如图2所示。
图2 集成磁件结构示意图
Fig 2 Structure of integrated magnetic component （2）阵列式磁性器件磁集成
将电路中的磁性器件离散化，形成分布阵列布置或形成“磁结构层”，使磁结构与电路板或其他器件紧密配合，从而实现集成化[7]。
（3）厚膜技术磁集成
J.M.Lopera 等人用厚膜技术将串联在主变压器上的谐振电感和主变压器集成在一块镍锌铁氧体基片上，以减小变换器的尺寸。工作频率为1MHz 、输出功率为10W 的样机，电感和变压器的损耗为总损耗的42%，在输出功率6~9W 的范围内，整机效率超过70%[16]。
（4）微加工技术磁集成
“微加工”是利用先进的微粉技术、线圈制版技术、加入聚合物粘结剂的铁氧体的丝网印刷技术制成，也就是说，它是一种微型模式生成和薄膜制作技术。采用这种技术可以研制工作频率为MHz 级的开关电源的磁性器件 ，减小磁性器件的铁芯损耗和绕组铜耗，使变压器的面积小于10mm 2，还可能像超大
规模集成电路（VLSI）那样制造集成电力电子电路，将磁性器件、功率电路和控制电路集成在同一个硅片上。借用录音磁带的薄膜合金材料，可以使高频磁性器件的工作磁密增大。美国加州大学Berkely分校微加工实验室已研制成工作频率为10MHz的变压器，开发了最优化设计软件，变压器的单位面积功率为20W/cm2，效率可达90%以上[17]。日本人用离子束溅射法制作了集成式变压器[18]，此法是应用干法技术在基片上直接制成。基片是含有10μm厚的SiO2层的2英寸硅片，用离子束溅射法沉积CoZrRe，用氩离子束蚀刻出磁层，再用离子束溅射法连续沉积Cu和Ta，利用Ta作掩膜，用氮离子束刻蚀Cu图形，然后采用偏压溅射沉积一层表面平整的中间绝缘膜，上下层Cu图形的连接孔有离子束刻蚀形成。日本人用此法制成了体积约为3mm×4mm×0.3mm的变压器，其线圈能产生33nH/mm2的电感，适用于5~40MHz高频范围工作的开关变换器。
（5）磁电混合技术磁集成
包括磁芯与晶体管硅片集成，利用电感箔式绕组层间分布电容实现磁性器件与电容混合集成等。南非Hofsajer报道了磁电混合集成器件的研究成果，将5kVA、25kHz串联谐振变换器的LC谐振器件（L=60μF，C=500nF）和变压器（电压比为430∶80）集成在同一个平面铁芯上，称为LCT集成器件[7]。
3.2 平面集成磁件
平面集成磁件就是将平面变压器和平面电感等平面磁性器件集成在一起。目前，磁性器件的高功率密度、高频化、集成模块化的研究，特别是平面集成磁件的研究已受到国际一些电力电子机构的广泛关注。在高频开关电源研究方面，美国加州理工学院对如何实现磁性器件集成技术做了大量的理论和应用研究[19]。美国弗尼亚州立大学电力电子研究中心（VPEC）对高频磁性器件如何建模仿真、结构如何设计和应用研究方面做了大量研究[20]。平面集成磁件的性能与诸多因素有关，如绕组结构与布置、绕组端部设计、绕组导体的宽度、厚度、磁芯材料、磁芯结构、磁芯参数设计与几何尺寸，还要考虑饱和非线性特性、直流励磁、局部磁滞回环、气隙影响和温度系数等。平面集成磁件的工作频率达到MHz以上，研究平面集成磁件的主要关键问题有：（1）磁性材料及结构，集成磁件的磁性材料主要是软磁铁氧体，绕组结构的方向是单层或多层丝网印刷结构；（2）损耗、发热、散热和温升的定量化和分析；（3）电磁干扰（EMI）/电磁兼容（EMC）的定量化和分析；（4）分布参数（如漏感、分布电容、匝间电容等）的计算、测量与优化；（5）新型拓扑结构的磁路和电路模型的建立和应用。建议的研究方法是结合电路拓扑结构建立起平面集成磁件的等效磁路和电路模型，用二维或三维有限元软件（如Ansys或Ansoft）分析电磁场特性及热特性，验证磁路模型的准确性，优化相关参数，分析电磁场产生的电磁干扰/电磁兼容的耦合机理等。
随着电力电子设备向高性能发展，新型磁性材料和磁芯[21~23]陆续出现，采用微制造技术制作的集成平面磁件将在功率电子领域得到广泛应用。同时，磁集成技术的应用领域会进一步拓宽，不但会扩大它的应用场合，还会挖掘集成磁件的新功能，如利用集成磁件来实现半匝绕组[24]，将其推广可实现任意分数匝的绕组[25]，并适用于新的磁性材料与磁芯结构。我国在平面集成磁件及磁集成技术研究方面与国际先进水平比还存在较大差距，需要加大基础理论研究的力度和资金投入。
4 结论
平面集成磁件越来越显示出其巨大的优越性，已成为人们研究的热点，并逐步成为磁性器件发展的主流与目标。本文介绍的亚微米型平面变压器很容易和平面电感、平面电容一起集成成为平面集成磁件，实现高频磁件和开关电源的“小、轻、薄”。
参考文献：
[1] 杨玉岗. 现代电力电子的磁技术. [M]. 北京：科学出版
社，2003.
[2] Jae Y.Park, Mark G.Allen. Integrated Electroplated
Micromachined Magnetic Devices Using Low Temperature
Fabrication Processes. [J]. EEE Trans.Pack.man, V ol.23,
No.1, Jan, 2000, P48-55.
[3] Jae Y.Park, Mark G.Allen. “Packaging -Compatible
Microinductors and Micro -transformers with Screen-
Parinted Ferrite Using Low Temperature Processes”, [J].
IEEE Trans. Mag, Vol, 34, No.4, July 1998, P1366-1368. [4] 蔡宣三，龚绍文. 高频功率电子学：直流-直流变换部分.
[M]. 北京：科学出版社，1993.
[5] 屈卫国. 片式电感、微型变压器及相关材料研究. [D]. 清
华大学硕士论文，2003.
[6] Ning Dai, A software for high-density low-profile
transformer optimization, [J]. CURRENT, 1997, 11(1).
[7] 蔡宣三. 高频开关变换器中的磁元件（Ⅱ）—电感与变压
器. [J]. 电源世界，2002（3）.
[8] 张冠生，余素胜，陈为. 电力电子技术中的磁元件. [J].
电工技术学报，1999（7）.
[9] Peter Barnwell. Planar transformers for high frequency
power supplies using thick film technology. [C]. ISHM’ 92
Proceedings, 1992.
[10] 姚中，张湘虹，虞维扬. 磁性器件的新发展——片式电感、
片式变压器. [J]. 电子变压器技术，1998（4）.
[11] Yamaguchi K, et al. Load characteristics of a spiral coil type
thin film micro transformer , [J]. IEEE Trans. on Mag., 1993,
29(6): 3207-3209.
[12] Grouse G B, “Electrical Filter”, [P]. U.S.Patent 1,920,948
(August1,1933).
[13] Slobodan.Cuk, “DC-to-DC switching converter with zero
input and output current ripple and integrated magnetics
circuits”, [P]. U.S.Patent 4,257,087 (March 17,1981).
[14] Wei Chen, Guichao Hua, Dan Sable, et al. “Design of High
Efficiency, Low voltage converter with Integrated Magnetics”, [C]. VPEC’1997, pp. 14-20.
[15] 陈乾宏，阮新波，严仰光. 采用磁集成技术的高效率、低
压输出正反激变换器. [J].电工技术学报，2002（1）. [16] Lopera J M.et al. Design of integrated magnetic elements
using thick-film technology. [J]. IEEE Trans on Power
Electronics, 1999,14(3): pp.408-414. [17] Sullivan C R, Sanders S R. Design of micro -fabricated
transformers & inductors for high frequency power
converters. [J]. IEEE Trans. on power electronics, 1996,
11(2):228-238.
[18] 王晓飞. 微型变压器的现状与发展. [J]. 电子变压器技
术，1999（6）.
[19] Enrico Santi, Slobodan Cuk.Issues in flat integrated
magnetics design. [C]. APEC, 1996 IEEE, 1996.
[20] Dai N, Lee F C. High-frequency eddy-current effects in
low-profile transformer windings. [C]. APEC, 1997. IEEE,
1997.
[21] Huljak R, Thottuvelil V, Marsh A et al. “Where Are Power
Supplies Headed”, C IEEE-APEC, 2000, pp.10-17.
[22] Conor Quinn, Karl Rinne, Terence O’Donnell, et al. “A
Review of Planar Magnetic Techniques and Technologies”
[C]. IEEE-APEC,2001,pp.1175-1183.
[23] George B, “Power Management: Enabling Technology for
Next-Generation Electronic Systems”, [C]. IEEE-APEC,
2001,pp.1-6.
[24] Xing Sheng Zhou,Dan Chen, Clifford Jamerson,
“Application of Half-turn on E-Core in Switching Power
Supplies”, [C]. IEEE -APEC, 1999, pp.1210-1215.
[25] 陈乾宏. 开关电源中磁集成技术的应用研究. [D]. 南京航
空航天大学博士学位论文，2001.
Planar transformer and integrated magnetism technology
YU Qing-guang1, BIN Xiong-hui1, WANG Xiao-hui1, YANG Yu-gang2
(1. Tsinghua University, Beijing 100084, China; 2. Liaoning Technical University, Fuxin 123000, China) Abstract：The planar transformer and integrated magnetism technology can reduce the height, the volume and weight of the magnetic device, improve the power density of the magnetic device to realize “small,light,thin” of the switch power. In this paper, the state-of-the-art of the planar transformer and the methods of the integrated magnetics are illustrated, the concept of the submicro transformer and its prearation are put forward, key problems involved in developing the planar integrated components are presented and its trends are also carried out.
Key words：planar transformer；submicro transformer；planar integrated magnetic component