第三代半导体制程赋予高频变压器新挑战与新机会
2025-01-08
第三代半导体材料碳化硅（SiC）和氮化镓（GaN）因其优异的电气特性，已经在越来越多的传统领域替代传硅（Si）器件，从而达到更好绿色节能的低碳减排效果，以及对电源转换器的核心器件高频变压器和磁芯材料提出了新的挑战与要求：
对高频变压器的挑战与要求：
1、高频损耗降低：随着工作频率的提高，变压器的磁芯损耗和绕组损耗显著增大，例如，采用碳化硅器件后，功率器件的工作频率将逐步升高，高频变压器的频率将从100 kHz上升至300 kHz以上，因此，需要开发适应高频的磁芯材料，以降低磁芯损耗；
2、功率密度提升：为了适应第三代半导体材料的高频特性，变压器需要向更紧凑的方向发展，以提高功率密度，例如，服务器电源中，变压器的形状朝平面变压器变化，腿部变短，背板变大，以增加散热面积，降低损耗；
3、散热性能增强：高频工作条件下，变压器的散热问题更加突出，需要采用高效的散热设计和材料，以确保变压器在高温、高功率密度条件下的稳定运行；
4、电磁干扰控制：高频变压器在高频工作下会产生更大的电磁干扰，对电磁干扰滤波器提出了更高的性能要求，需要关注更宽频段的插入损耗特性，以及变压器绕组间的分布电容控制。
对磁芯材料的挑战与要求：
1、高频损耗特性优化：磁芯材料在高频下的损耗特性变得尤为重要，需要开发具有更低高频损耗的磁芯材料；
2、磁饱和特性改善：在高频、高温工作状态下，磁芯材料需要具备良好的磁饱和特性，以避免在高功率密度条件下出现磁饱和；
3、热稳定性提升：磁芯材料需要具备良好的热稳定性，以适应高频变压器在高温环境下的工作；
4、集成化设计适应性：随着变压器向集成化方向发展，磁芯材料需要适应更紧凑的结构设计，同时满足高频、高温等复杂工况下的性能要求。
第三代半导体材料赋予高频变压器的新机会主要体现在以下几个方面：
结构设计创新：
1、平面变压器设计：传统的绕线式变压器在高频应用中存在较大的损耗和体积问题。第三代半导体材料的高频特性促使变压器向平面变压器设计演变，这种设计可以更好地适应高频应用，具有更好的高频特性、性能一致性；
2、集成化设计：由于第三代半导体材料的高功率密度和低损耗特性，变压器可以实现更高的集成度，减少器件数量和体积，从而提高整体系统的紧凑性和效；
材料创新：
1、高频磁芯材料：为了适应第三代半导体材料的高频特性，变压器需要使用具有更低高频损耗的磁芯材料。例如，开发新型合金材料，其高频损耗已经接近铁氧体材料，同时具备高饱和特性；
2、散热材料：由于高频工作带来的散热挑战，变压器设计中需要采用更高效的散热材料和结构，以确保在高温、高功率密度条件下的稳定运行；
性能提升：
1、高效率和低损耗：第三代半导体材料如碳化硅和氮化镓具有高效率和低损耗的特性，使得变压器在高频工作时的效率显著提高，损耗降低；
2、高功率密度：由于第三代半导体材料的高功率密度特性，变压器可以在更小的体积内实现更高的功率输出，这对于空间受限的应用场景具有重要意义；
应用领域拓展：
1、新能源汽车：在新能源汽车中，第三代半导体材料的变压器可以用于电机驱动和充电系统，提高电能转化效率，减小驱动电路的体积；
2、智能电网：在智能电网中，第三代半导体材料的变压器可以用于高压直流输电和固态变压器等设备，提高电能传输和转换效率。
