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　　科i技i論i壇技信圊淺談半導體變壓器結構及建模分析運光然（大慶市農業投資有限公司，黑龍江大慶163311）發展，電子變壓器行業的產品結構發生了較大的變化，顯現出產品類型多樣性。國際電力電子技術飛的速發展呈現高頻、高功率密度、小型化的趨勢，相應的對電子變壓器的性能指標提出了越來越高的要求。主要介紹了半導體變壓器的加工工藝，半導體變壓器立體結構及線圈結構，并進行了半導體平面變壓器立體結構圖初、次級線圈尺寸結傳統單相變壓器T形構示意圖等效電路線圈亥觸在半導體基片上，加工工藝簡單。?一一一?，一一-一一“，初鶘囿次鶘垅圉建模分析。

　　隨著集成電路超大規模化及片上系統集成以及各種電子元器件片式化，整機廠商對電子變壓器的微、小型化需求曰趨迫切，市場需求拉動這類產品向輕薄、高頻化、低損耗、表面貼裝以及新材料、新結構方向突飛猛進。

　　半導體變壓器種新型變壓器模型，無論是在理論基礎方面、材料創新方面、電性能方面和產品體積等方面都有了很大的技術進步、改革和創新。它在一塊半導體襯底的上下兩面利用摻雜工藝制作出螺旋狀的軌道作為原副繞組，這種軌道具有很高的載流子密度而且電阻很小，完全取代了金屬線圈，同時取消了鐵心，它的提出意味著真正的二維平面變壓器的出現已經成為了可能，是真正意義上的“半導體”變壓器。

　　由于結合了半導體技術且取消了傳統變壓器中的鐵心，和常規變壓器相比，半導體變壓器具有很多方面的優點，如：1.2.1體積小、重量輕；1.22由于沒有鐵芯的存在，所以能量損耗主要是線圈銅耗，故半導體變壓器還具有較高的功率密度；123傳統變壓器通常低頻運行，銅耗不僅與電流大小有關，還與工作頻率有關，當工作頻率越高時損耗越大。

　　因此，傳統變壓器工作頻率不會很高。但是半導體變壓器由于取消了鐵芯且線圈的耦合系數較大，而且通常應用在微電子產品中，所以工作頻率通常較高，可以達到MHz級。

　　由此可見，半導體平面變壓器作為一種新型的電子變壓器從整體上說，明顯優于傳統變壓器以及其他任何帶有鐵心的新型平面變壓器。

　　2材料的選用及加工工藝隨著市場需求的斷提高，考慮到加工工序的合理化、加工環境的整潔化及半導體材料的加工精來越高等因素，半導體制作設備必須在高精度和高安全性、高清潔度、小型化、工件輸送技術、排簡便化及加工自動化等六個方面不斷有所改進。

　　制造詼半導體變壓器的材料和制造電子元器件的材料相同，都是圓形單晶硅硅片，稱為硅片。半導體制造技術很復雜，有許多特殊工藝步驟，如硅片制備、芯片制造、芯片測試和挑選、裝配和封裝等。

　　根據不同的制作要求，芯片被制造并封裝到各種電子元器件中，由于芯片的制造成本大幅降低，所以制造半導體變壓器的成本很低。

　　單晶硅基片之所以在諸多半導體元素或化合物半導體等材料中蝣廁出，成為超大規頰集成電路器件的基片材料，原因在于Si是池球表面存量為豐富的元素之一，其本身無毒而且具有很寬的帶隙。

　　半導體變壓器采用亥觸技術利用摻雜工藝將結構尺寸傳統變壓器的繞組常常是繞在一個磁芯上，且匝數較多。而半導體平面變壓器種新型變壓器，它在一塊半導體襯底的上下兩面利用工藝蝕亥出螺旋狀的軌道作為原副繞組，其立體圖結構如所示。這種軌道具有很高的載流子密度而且電阻很小，完全取代了傳統線圈，由于初、次級線圈之間間隙極小，耦合系數較大，可以取消鐵心。

　　本文只研究初、次級線圈的幾何尺寸及材料等屬性完全相同的情況，然后對詼變壓器模型進行分析。這種變壓器可以用作光耦或隔離變壓器。如果需要電流隔離，通常會采用光耦來獲取低成本。然而，光禍的傳輸特性較慢而且會隨著時間的推移而退化。較為昂貴的替代方案是采用脈沖變壓器。將平面變壓器的繞組集成到一個IC上，不但降低了成本而且保持了高性能。

　　初、次級線圈結構平面示意圖如所示，其中，初、次級線圈幾何尺寸完全相同。其結構尺寸如下所示：外圈直徑為5mm；內圈直徑0.5mm；半導體襯層厚1mm；線寬0.1mm；線圈間距初、次級線圈各10匝。

　　在傳統變壓器分析中，常運用等效電路的方法進行分析。如所示為一臺單相變壓器的T形等效電路。借鑒傳統變壓器的分析方法，可以同樣建立半導體變壓器的等效電路模型。

　　因為半導體變壓器取消了鐵心，不同于常規變壓器會在鐵心中存在鐵耗以初、次級等效電路之間只有互感而沒有形成鐵耗的等效電阻。當半導體變壓器高頻運行時，初次級線圈之間就會形成極間電容，這點也區別于低頻運行的常規變壓器。

　　綜上所述，得到該半導體變壓器的高頻等效電路，如所示。

　　半導體平面變壓器高頻等效電路C，初級線圈電容2；次級線圈電容及外加電容之和5半導體變壓器應用范圍半導體變壓器與常規變壓器相比取消了鐵心，高度得到了大的縮小。這一特色對電源設備中在空間受到嚴格限制的場合下具有相當大的吸引力，從而可成為許多電源設備中的變壓器。

　　半導體變壓器結構上的優勢，也為它的電氣特性帶來了許多優點：功率密度高，效率高，漏感低，散熱性好，成本低等。

　　由于平面變壓器的突出特點是體積小、效率高。因此適合的領域是空間存在限制或對節能及散熱要求苛刻的地方。目前的典型應用有通信領域的AC/DC前端和DC/DC轉換器、模塊開關電源及UPS.有望應用于國防、航空航天、通訊、if算機、汽車電子、數碼產品等多個領域，具有重要意義。

　　隨著技術的進步，大批量生產的可能性越來越大，其價格也會大幅下降，平面變壓器也會從中高檔應用走向消費類電子等主流產品市場，成為電子變壓器中的佼佼者。