平面變壓器在開(kāi)關(guān)電源中的技術(shù)優(yōu)勢(shì)
高功率密度是當(dāng)今開(kāi)關(guān)電源發(fā)展的主要趨勢(shì)，要做到這一點(diǎn)，一個(gè)重要的技術(shù)就是提高電源中磁元件的功率密度。平面變壓器因?yàn)樘厥獾钠矫娼Y(jié)構(gòu)和繞組的緊密耦合，使得高頻寄生參數(shù)得到了很大的降低，極大地改進(jìn)了開(kāi)關(guān)電源的工作表現(xiàn)，因此在近些年得到了普遍的應(yīng)用。本文研究了幾種不同的平面結(jié)構(gòu)和繞組制作的方式，并且談到了設(shè)計(jì)平面變壓器的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)方法，這將使得設(shè)計(jì)過(guò)程變得更加簡(jiǎn)單，而且可以大大降低設(shè)計(jì)成本。實(shí)際比較了平面變壓器和傳統(tǒng)變壓器的一些參數(shù)，并給出了設(shè)計(jì)方針。
磁元件的設(shè)計(jì)是開(kāi)關(guān)電源中一個(gè)重要的設(shè)計(jì)，因?yàn)?a data-ke-="" src="http://www.satons-sh.com/product-item-12.html" target="_blank">
平面變壓器在提高開(kāi)關(guān)電源的特性方面有著很大的優(yōu)勢(shì)，因此在近些年得普遍的應(yīng)用。對(duì)于一個(gè)理想的變壓器來(lái)說(shuō)，全部的磁路穿過(guò)次級(jí)線圈，即沒(méi)有漏磁通。對(duì)普通變壓器來(lái)說(shuō)，并不是初級(jí)線圈中產(chǎn)生的全部磁通都穿過(guò)次級(jí)線圈。
1、平面變壓器的特性研究
平面磁芯開(kāi)發(fā)成功，可實(shí)現(xiàn)平面化的變壓器設(shè)計(jì)。由于
平面變壓器要求磁芯、繞組是平面結(jié)構(gòu)，所以應(yīng)該采用多層PCB繞組。現(xiàn)在，已有許多公司開(kāi)發(fā)出了平面變壓器，Pulse公司開(kāi)發(fā)出了平面磁性元件，以色列佩頓公司 Payton已開(kāi)發(fā)了Planetics平面變壓器，功率由5W到20KW、頻率自20KHz到2MHz，效率通常可達(dá)98%，是電信、電焊機(jī)、計(jì)算機(jī)和外設(shè)、網(wǎng)絡(luò)、醫(yī)療電子、工業(yè)控制、安全系統(tǒng)和電子設(shè)備的理想選擇。平面變壓器的特點(diǎn)是高頻，低造型，高度很小而工作頻率很高。變壓器是電源中的一個(gè)關(guān)鍵元件。傳統(tǒng)的變壓器通常由鐵氧體磁芯及銅線圈構(gòu)成，體積龐大而且容易產(chǎn)生電磁干擾。平面變壓器（Planar Transformer）可有效地解決體積及高頻問(wèn)題。
平面變壓器與傳統(tǒng)的變壓器相比較大的區(qū)別在于鐵芯及線圈繞組。平面變壓器采用小尺寸的E型、RM型或環(huán)型鐵氧體磁芯，通常是由高頻功率鐵氧體材料制成，在高頻下有較低的磁芯損耗；繞組采用多層印刷電路板迭繞而成，繞組或銅片迭在平面的高頻鐵芯上構(gòu)成變壓器的磁回路。這種設(shè)計(jì)有低的直流銅阻、低的漏感和分布電容，可滿足諧振電路的設(shè)計(jì)要求。而且由于磁芯良好的磁屏蔽，可抑制射頻干擾。
如前所述，平面變壓器的優(yōu)點(diǎn)主要集中在較低的漏感值和交流阻抗。繞組問(wèn)的間隙越大意味著漏感越大，也就產(chǎn)生更高的能量損失。平面變壓器利用銅箔與電路板間的緊密結(jié)合，使得在相鄰的匝數(shù)層間的間隙非常的小，因此能量損耗也就很小了。
在平面型變壓器里，其“繞組”是做在印制電路板上的扁平傳導(dǎo)導(dǎo)線或是直接用銅泊。扁平的幾何形狀降低了開(kāi)關(guān)頻率較高時(shí)趨膚效應(yīng)的損耗，也就是渦流損耗。因此，能有效地利用銅導(dǎo)體的表面導(dǎo)電性能，效率要比傳統(tǒng)變壓器高得多。圖1給出了一個(gè)平面變壓器的剖面圖，并且利用兩層繞組間距離的不同，而獲得在不同間隙下的漏感和交流阻抗值。
圖2與圖3給出了在不同的間隙下漏感和交流阻抗的變化，可以明顯地看出間隙越大，漏感越大，交流阻抗越小。在間隙增加1mm的狀況下漏感值增加了5倍之多。因此，在滿足電氣絕緣的情況下，應(yīng)該選用較薄的絕緣體來(lái)獲得小的漏感值。
然而，容性效應(yīng)在平面變壓器中是非常重要的，在印制電路板上緊密繞制的導(dǎo)線使得容性效應(yīng)非常的明顯。而且絕緣材料的選取對(duì)容性值也有著非常大的影響，絕緣材料的介電常數(shù)越高，變壓器的容性值越高。而容性效應(yīng)會(huì)引起EMI，因?yàn)閺某跫?jí)到次級(jí)的繞組中只有容性回路的繞組傳播這種干擾。因此，如果需要一個(gè)比較低的電容值，則必須在漏感和電容值之間做出一個(gè)折中的選擇。
2、插入技術(shù)
插入技術(shù)是指在布置變壓器原、副邊繞組時(shí)，使原邊繞組與副邊繞組交替放置，增加原、副邊繞組的耦合以減小漏感，同時(shí)使得電流平均分布，減小變壓器損耗。
現(xiàn)在插入技術(shù)的研究被分為兩個(gè)方面，即應(yīng)用于變壓器的插入（正激電路）和應(yīng)用于連接電感器的插入（反激電路）。因此，插入技術(shù)現(xiàn)在已經(jīng)被放在不同的拓?fù)渲凶鳛椴煌拇判圆考?lái)研究。
2.1、應(yīng)用于平面變壓器的插入技術(shù)
應(yīng)用于變壓器中的插入技術(shù)的主要優(yōu)點(diǎn)如下：
1）使變壓器中磁性能量?jī)?chǔ)存的空間減少，導(dǎo)致漏感的減少；
2）使電流傳輸過(guò)程中在導(dǎo)體上理想分布，導(dǎo)致交流阻抗的減少；
3）繞組間更好的耦合作用，導(dǎo)致更低的漏感。
為了說(shuō)明插入技術(shù)的特征，圖4給出了應(yīng)用3種不同插入技術(shù)的結(jié)構(gòu)，P代表初級(jí)繞組，s代表次級(jí)繞組。圖5顯示了在500 kHz時(shí)，3種結(jié)構(gòu)的交流阻抗和漏感值，通過(guò)比較可以很容易地發(fā)現(xiàn)應(yīng)用了插入技術(shù)的變壓器，交流阻抗和漏感值都有了很大的減少。
2.2、多繞組變壓器中平面結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)
在發(fā)電機(jī)中，不管是線圈運(yùn)動(dòng)通過(guò)磁場(chǎng)或磁場(chǎng)運(yùn)動(dòng)通過(guò)固定線圈，均能在線圈中感應(yīng)電勢(shì)，此兩種情況，磁通的值均不變，但與線圈相交鏈的磁通數(shù)量卻有變動(dòng)，這是互感應(yīng)的原理。變壓器就是一種利用電磁互感應(yīng)，變換電壓，電流和阻抗的器件。
變頻器：通過(guò)它調(diào)整能夠達(dá)到所需要的用電頻率（50hz,60hz等），來(lái)滿足我們對(duì)用電的特殊需要。 變壓器：一般為“降壓器”，常見(jiàn)于小區(qū)附近或工廠附近，它的作用是將超高的電壓降到我們居民正常用電電壓，滿足人們的日常用電。
變壓器利用電磁感應(yīng)的原理來(lái)改變交流電壓的裝置，主要構(gòu)件是初級(jí)線圈、次級(jí)線圈和鐵心（磁芯）。在電器設(shè)備和無(wú)線電路中，常用作升降電壓、匹配阻抗，安全隔離等。
平面變壓器另一個(gè)重要的優(yōu)點(diǎn)是高度很低，這使得在磁芯上可以設(shè)置比較多的匝數(shù)。一個(gè)高功率密度的變換器需要一個(gè)體積比較小的磁性元件，平面變壓器很好地滿足了這一要求。
另外，對(duì)于多繞組的變壓器來(lái)說(shuō)，繞組間保持很好的耦合非常重要。如果耦合不理想則漏感值增大，將會(huì)使得次級(jí)電壓的誤差增大。而平面變壓器因?yàn)榫哂泻芎玫鸟詈希沟盟蔀檩^好的選擇。
2.3、在不同拓?fù)渲衅矫孀儔浩鞯淖饔?/strong>
在不同的拓?fù)渲校判栽淖饔靡彩遣煌摹Ｔ谡ぷ儞Q器中的變壓器，磁性能量在主開(kāi)關(guān)管開(kāi)通的時(shí)候由初級(jí)繞組傳遞到次級(jí)繞組中。然而，在反激變換器中的“變壓器”并不完全是一個(gè)變壓器，而是兩個(gè)連接的電感器。在反激拓?fù)渲械?ldquo;變壓器”在主開(kāi)關(guān)管開(kāi)通的時(shí)候初級(jí)繞組儲(chǔ)存能量，而在關(guān)閉的時(shí)候?qū)⒛芰總魉偷酱渭?jí)繞組。應(yīng)用于這種變壓器的插入技術(shù)的特點(diǎn)如下：
1）在磁芯中儲(chǔ)存的能量沒(méi)有減少，因?yàn)殡娏髟谀硶r(shí)刻只能在一個(gè)繞組中流動(dòng)，并且沒(méi)有電流補(bǔ)償；
2）電流的分布并不理想，原因同上，因此交流阻抗也沒(méi)有減小；
3）插入使得繞組間產(chǎn)生較好的耦合，因此有比較小的漏感值。
3、平面變壓器的標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)
平面變壓器的優(yōu)點(diǎn)如上所述，同樣它也有缺點(diǎn)，其主要的缺點(diǎn)就是設(shè)計(jì)的過(guò)程非常復(fù)雜，而且設(shè)計(jì)成本也非常高。
下面介紹一種標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)計(jì)平面變壓器的程序步驟；它通過(guò)提供一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的匝數(shù)模型的設(shè)計(jì)，使之能夠被使用于不同的平面變壓器中，從而使得設(shè)計(jì)過(guò)程大大簡(jiǎn)化，費(fèi)用大大降低。
在雙面PCB板的每一層都是由一到多匝的繞組組成的，而且全部的層都保持著一樣的物理特性：即相同的形狀和相同的外部連接點(diǎn)。在有些多匝的層次中，這個(gè)外部連接點(diǎn)是不同匝數(shù)間的電氣連接點(diǎn)。如果有些層只有一匝，它也可以被印制在PCB的雙面來(lái)降低交流阻抗。使用銅箔直接印制在PCB板上來(lái)替代傳統(tǒng)的導(dǎo)線，即使在許多需要很多匝數(shù)的開(kāi)關(guān)電源中，變壓器依舊能保持一個(gè)很小的體積，這便大大減小了整機(jī)的體積。圖5顯示了一個(gè)頂層的標(biāo)準(zhǔn)匝數(shù)設(shè)計(jì)的例子，它使用的是罐形（RM）磁芯。
銅箔高度按照對(duì)應(yīng)于ZUI大開(kāi)關(guān)頻率時(shí)的趨膚深度選取，這樣可以使銅箔的全部部分都成為電流通路，大大減少集膚效應(yīng)的影響。因此，應(yīng)該使每一種開(kāi)關(guān)頻率對(duì)應(yīng)于不同的銅箔高度。
4、實(shí)驗(yàn)論證
為了比較平面變壓器和傳統(tǒng)變壓器，分別做了兩種變壓器的模型，一種使用平面結(jié)構(gòu)并使用了插入技術(shù)，另一種使用銅線分別在初級(jí)和次級(jí)繞制而成。兩種變壓器都被運(yùn)用于一個(gè)互補(bǔ)控制的半橋變換器中。兩個(gè)變壓器的參數(shù)如下：
初級(jí) 12匝：
次級(jí)兩個(gè)l匝的繞組（1：1中心抽頭）。
傳統(tǒng)變壓器使用漆包線作為繞組，雖然在這些線圈中電流密度不盡相同，選擇電流密度小于7.5A／mm。
平面變壓器初級(jí)繞組做成4層，有4個(gè)并列的次級(jí)。這個(gè)變壓器的ZUI終結(jié)構(gòu)如圖7所示。
兩種變壓器都使用了同樣的磁芯RM10，比較了兩種變壓器的漏感，交流阻抗和占用的面積，結(jié)果列于表1。
由表1可知，平面變壓器的漏感僅為傳統(tǒng)變壓器的1／5，交流阻抗也僅為l／3，由此可見(jiàn)這將大大提高變換器的工作特性。而且，由于結(jié)構(gòu)的更加緊湊，使得可以使用更小的RM8磁芯。
5、結(jié)語(yǔ)
平面變壓器在減小漏感、交流阻抗等方面有著非常大的優(yōu)點(diǎn)，并且因?yàn)轶w積的小巧使之成為一種非常好的磁性元件。給出了一種標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)計(jì)平面變壓器的方法，使得設(shè)計(jì)平面變壓器變得更加容易，成本也將大大降低。可以預(yù)見(jiàn)，平面變壓器將有著相當(dāng)好的應(yīng)用前景。
