当前开关电源不断向“小、轻、薄”方向发展，减小储能元件厚度成为提高开关电源功率密度的一个有效方法。此处以小功率有源箝位DC／DC模块电源应用为例，分析和研究了穿孔平板磁技术，设计了一种新结构磁器件以提高模块电源的功率密度，并针对有源箝位模块电源进行了穿孔平板磁器件的设计与应用。首先介绍了穿孔平板变压器、穿孔平板电感的基本结构，基于磁路理论分析了磁芯单元磁通分布、磁感应强度等性能，进而针对模块设计了磁器件的具体参数，并用有限元软件进行仿真验证，实际运行也证实了设计的有效性。

1 引言

随着DC／DC模块电源功率的不断提高，对电源中磁性器件的体积、效率提出了更高要求。目前，矮外形磁芯、平面绕组结构的平面磁器件是1／8～1／2砖DC／DC模块的常见组成结构。多磁芯结构的扁平矩阵变压器因可自动次级均流、结构设计灵活、散热容易，也在模块电源得到了应用。然而，上述两种结构的磁芯占据了PCB表面积的很大部分，使功率器件和控制器件的布置困难。同时．磁芯的厚度也决定了模块的高度，使模块在高度上的空间利用不足。

为给模块的功率器件和控制器件提供更大的布置面积，降低模块厚度，提高功率密度，这里尝试使用穿孔平板磁器件，并将磁器件与PCB平行安装来达到上述目的。针对一个有源箝位DC／DC电源模块的应用，首先分析穿孔平板变压器、穿孔平板电感的结构和磁路特点。进而设计了磁器件的具体参数，经有限元仿真验证后制作出磁器件，并经实测证实了其效果。

2 有源箝位模块电源及其结构

所设计的DC／DC模块电源为输入低端有源箝位、输出同步整流的隔离正激电路，其主电路如图1所示。

该电源主要性能指标为额定输入电压48 V，额定输出电压3．3 V／15 A，开关频率500 kHz。该电源的主开关和箝位开关均能实现零电压开通，大大降低主开关管电压应力，并可在占空比大于50％的情况下工作。电源的控制电路分别从初、次级采集电流和电压信号，并送入PWM控制器调节占空比，再经初级驱动电路控制功率开关，稳定输出电压。图中的变压器、电感采用穿孔平板磁器件结构，省略号表示多个变压器单元、电感单元相串联或并联。

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。