半导体平面变压器建模与仿真

微电机

2009年第42卷第9期

中图分类号:TM 401+ 1 文献标志码:A 文章编号:1001 6848(2009)09 0022 03

半导体平面变压器建模与仿真

王晓远,刘 涛,郭 志

(天津大学电气与自动化工程学院,天津 300072)

摘 要:介绍了一种新型半导体平面变压器的结构特点,并进行了建模及仿真分析,得到该新型变压器的一些重要参数及特性;研究对这种高频率、低功耗、高功率密度变压器的发展有一定推动意义。

关键词:半导体变压器;线圈结构;建模及仿真;效率

M odelli n g and Em ulator of Se m iconductor P lanar Transfor m er

WANG X iao yuan ,LIU Tao ,GUO Zh i (T ian ji n University ,T ian ji n 300072,Chi n a)

A bstract :On t h e base o f co m par i n g w it h genera l transfor m er ,a ne w type of coreless se m iconductor

planer transfor m er (I C transfor m er)and its structure are i n troduced i n th is paper .The m ode l is presen

ted .

It is analysed and e m u lated .So m e i m portant para m eters and character i s tics are d i s covered .These

conduce the developm ent of this ne w type of core less se m iconductor p lanar transfo r m er wh ich is h i g h fre quency ,lo w po w er loss and very h i g h po w er density .

K eyW ords :Se m iconductor planar transfor m er ;Str ucture of w i n ding ;M odelli n g and e m ulator ;E ffi

c iency

收稿日期:2008 06 13

0 引 言

随着电子技术的发展,电子变压器行业的产品结构发生了较大的变化;呈现高频、高功率密度、小型化的趋势,相应的对电子变压器的性能指标提出了越来越高的要求。常规变压器是带有铁心和线圈的立体的能量变换器。由于大规模集成电路技术的发展,需要高频率、小体积、低功耗的高频变压器,所以研究能够取代常规变压器的无芯变压器,成为近年来的热点;并相继出现了许多无芯平面变压器,比如无芯PCB 平面变压器。本文介绍了一种新型半导体平面变压器,又称I C 变压器。它不同于以往任何一款变压器。比起PCB 平面变压器,这种新型变压器结合半导体技术,在半导体基片上利用掺杂工艺蚀刻出一定载流子密度的线圈,使得变压器的效率更高、体积更小,是真正意义上的 半导体 变压器,有望应用于国防、航空航天、通讯、计算机、汽车电子、数码产品等多个领域,具有重要的实际意义。

1 结构特点

传统变压器的绕组常常是绕在一个磁芯上,且匝数较多;PCB 平面变压器是在PCB 板上印制线圈;而半导体平面变压器是在一块半导体基片的上下两面利用掺杂工艺蚀刻出螺旋状的轨道作为原、副绕组,其立体结构如图1

所示。

图1 半导体平面变压器立体结构示意图

这种轨道具有很高的载流子密度而且电阻很小,完全取代了传统线圈。由于初、次级线圈之间间隙极小,耦合系数较大,可以取消铁心。本文只研究初、次级线圈几何尺寸完全相同的情况。初、次级线圈结构平面示意图如图2所示。直径均为5mm,半导体基片厚1mm ,初、次级线圈各10匝。

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半导体平面变压器建模与仿真 王晓远,

等

图2 初、次级线圈尺寸结构示意图

2 半导体变压器数学模型

在传统变压器分析中,常运用等效电路的方法进行分析。如图3所示为一台单相变压器的T 形等效电路。借鉴传统变压器的分析方法,可以同样建立半导体变压器的等效电路模型。

因为半导体变压器取消了铁芯,不同于常规变压器会在铁芯中存在铁耗,所以初、次级等效电路之间只有互感而没有形成铁耗的等效电阻。当半导体变压器高频运行时,初次级线圈之间就会形成极间电容。这点也区别于低频运行的常规变压器。

综上所述,得到该半导体变压器的高频等效电路如图4

所示。

其中,R 1为初级线圈电阻;R 2为次级线圈电阻;L lk1为初级线圈电感;L lk2为次级线圈电感;C 12为初、次级间电容;C 1为初级线圈电容;L M 为互感;C 2为次级线圈电容及外加电容之和;R L 为外加负载;V P 为输入电压;V S 为输出电压

3 解析法计算变压器模型基本参数

3 1 线圈电感

线圈电感包括自感和互感。由于线圈的几何

尺寸已经确定,通过解析法计算较为精确。

1)线圈互感

计算线圈互感需要知道每匝线圈之间的互感数值,其中每匝线圈之间互感的计算公式可以按照传统变压器计算公式来计算,见下式:M (a ,b , =0,d )= 0

ab

(

2k -k)K (k)-2

k

E

(k)(1)

式中,k=(

4ab (a +b)2+d

2

)1

2

;E (k )= 2{1-

n=0

[(2n -1)(2n )]2k

2n

2n -1

},为第一类完全椭圆积分;K (k)= 2

n =0[(2n -1)(2n )]2k 2n

,为第二类完全椭圆积分。a 为初级线圈半径;b 为次级线圈半径; 初、次级线圈轴间距( =0);d 为初次级线圈垂直距离(d =1mm )。初、次级线圈互感计算公式为:

L M =

N a

i=1j=1 N b

i=1

j=1

,

(a i ,a j , =0,d )(2)

式中,N a 为初级线圈线圈数;N b 为次级线圈线圈数。此时N a =N b =10匝。

2)线圈自感

线圈a 的自感等于每匝线圈自感和匝间互感之和。计算公式为: L a =

N a

i=1M (a i

,

a j , =0,d )+

N a

i=1j 1 N b

i=1

j 1

M (a i

,

a j , =0,d )(3)

由式(1)至式(3)可以计算出初、次级线圈自感及互感分别为:

L lk1=0 09842 H;L lk2=0 09842 H;L M =0 32661 H 。3 2 变压器效率

由于没有铁芯,故没有铁芯损耗,线圈铜损

是主要损耗:

P l =i 2

1R 1+i 2

2R 2

(4)

式中,i 1、i 2为初、次级线圈电流;R 1和R 2为初、

次级线圈交流电阻。

由于趋肤效应的存在,电阻R 1和R 2的数值和工作频率f 有一定关系。对于本文所研究的特定模型,线圈结构尺寸确定的情况下,当变压器工作

在不同频率时,通过实验测得线圈的交流电阻数值各异。通过多组数值拟合得到如下函数:

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