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電感器之電源模組應用

整合式、薄型化的變壓器設計是近年來電力電子變壓器的一項新發展,但是由於此設計和材料及電路都有非常大的相關性,所以如何將兩者作最佳化的組合必須具備材料、元件及電路設計三方面的知識。針對更具整合性、薄型化、更低成本的變壓器需求而言,一個可行的方向是以整合化的結構來達成傳統SPS 所需要的功能

這類型的設計必須考慮到磁束的分佈以及電路的響應,但是由於這樣的磁路比較複雜,所以傳統變壓器的磁束分佈觀念不容易應用在這種模式中,而須修正理想變壓器等效電路模型,考慮電感器的比重,因此實際的等效電路中其磁束及電壓等於是變壓器及電感器的加成,比較重要的是這種結構善用整個鐵蕊之磁束容量,比起傳統分立式的組件來說可以有更大的應用彈性,這種” 耦合電感” 的概念有下列重點:泝將電力轉換電路的儲能電感組合在單一鐵蕊之中有效的節省磁性元件之體積及重量透過繞線的設計可控制漣波電流大小特別是上述最後一點,如果能善加利用各儲能電感的磁力線,使其互相耦合,
則在特定條件之下可得到輸出電流無漣波的結果,這意味著輸出電容可以減小,甚至於不必用輸出電容。同理,也可以將儲能電感和濾波電感組合在一起,共用一個鐵蕊
由這些電路/磁路結構來看,耦合電感的設計可以產生許多不同的效用,而其設計原則可敘述如下:
1. 需小心控制洩漏電感的大小
2. 所選擇的鐵蕊必須可負擔所有的交直流磁束
3. 總繞線數應小於三組,超過三組則很難控制洩漏電感的分佈
要注意在某些情況下,耦合可能衍生其他的電路問題,例如輸出極性反轉等同樣的道理,要將變壓器和電感耦合也是可行的,是以整合電感組件方式設計的BOOST 線路。在此,這一類的磁性元件設計由於其繞線複雜,所以如果用傳統鐵蕊-繞線的方式生產是很難降低成本的,但是對於疊層或積層式的製程則是相當有利的,因為在這類型的製程中,繞線組數對成本的影響較小,因此或可思考在目前的電源模組設計中加以應用。

電感元件在交換式電源供應器中是相當重要但卻又相當難以掌握的部份,產品功能的提昇和鐵蕊材料特性、電感元件結構及切換電路設計三者的配合都息息相關。以往業者以垂直分工的方式不太需要考慮太多材料-元件-電路之間的問題,但是目前高密度、高性能化的需求卻使產品的設計導向高度整合的方向,因此如何由材料-元件-電路整合化的角度進行設計考量,相信是高性能交換式電源供應器的設計重點,國外已有相當之產品使用整合設計考量,但國內之比重似乎顯得不足,顯然此一領域仍有值得投入之空間。

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