平面變壓器的技術(shù)分析

磁性元件的設(shè)計是開關(guān)電源的重要部分，因為平面變壓器在提高開關(guān)電源的特性方面有著很大的優(yōu)勢，因此近年來得到了廣泛的應(yīng)用。對于一個理想的變壓器來說，初級線圈所產(chǎn)生的磁通都穿過次級線圈，即沒有漏磁通。而對普通變壓器來說，初級線圈所產(chǎn)生的磁通并非都穿過次級線圈，于是就產(chǎn)生了漏感，電磁耦合的緊密要求也無法滿足。而平面變壓器只有一匝網(wǎng)狀次級繞組，這一匝繞組也不同于傳統(tǒng)的漆包線，而是一片銅皮，貼繞在多個同樣大小的沖壓鐵氧體磁芯表面上。所以，平面變壓器的輸出電壓取決于磁芯的個數(shù)，而且平面變壓器的輸出電流可以通過并聯(lián)進(jìn)行擴充，以滿足設(shè)計的要求。因此，平面變壓器的特點就顯而易見了：平面繞組的緊密耦合使得漏感大大地減??；平面變壓器特殊的結(jié)構(gòu)使得它的高度非常的低，這使變換器做在一個板上的設(shè)想得到實現(xiàn)。但是，平面結(jié)構(gòu)存在很高的容性效應(yīng)等問題，大大限制了它的大規(guī)模使用，不過，這些缺點在某些應(yīng)用中，也有可能轉(zhuǎn)換為一種優(yōu)點。另外，平面的磁芯結(jié)構(gòu)增大了散熱面積，有利于變壓器散熱。
　
1平面變壓器的特性研究

如前所述，平面變壓器的優(yōu)點主要集中在較低的漏感值和交流阻抗。繞組問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關(guān)頻率較高時趨膚效應(yīng)的損耗，也就是渦流損耗。因此，能最有效地利用銅導(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)該選用最薄的絕緣體來獲得最小的漏感值。



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)會引起EMI，因為從初級到次級的繞組中只有容性回路的繞組傳播這種干擾。為了驗證，筆者做了一個試驗，在銅導(dǎo)線的間隙增加O．2mm的情況下，而電容值就減少了20％。因此，如果需要一個比較低的電容值，則必須在漏感和電容值之間做出一個折中的選擇。
　
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，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硌芯俊?BR>
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)點如下：
1)使變壓器中磁性能量儲存的空間減少，導(dǎo)致漏感的減少；
2)使電流傳輸過程中在導(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代表初級繞組，s代表次級繞組。試驗顯示SPSP結(jié)構(gòu)是最好的，因為初級和次級的繞組都是間隔插人的。圖5顯示了在500kHz時，3種結(jié)構(gòu)的交流阻抗和漏感值，通過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

平面變壓器另一個重要的優(yōu)點是高度很低，這使得在磁芯上可以設(shè)置比較多的匝數(shù)。一個高功率密度的變換器需要一個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。例如，在多繞組的變壓器中需要非常多的匝數(shù)，如果是普通的變壓器將會造成體積和高度過大，影響電源的整體設(shè)計，而平面變壓器則不存在這一問題。

另外，對于多繞組的變壓器來說，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，將會使得次級電壓的誤差增大。而平面變壓器因為具有很好的耦合，使得它成為最佳的選擇。

2．3在不同拓?fù)渲衅矫孀儔浩鞯淖饔?BR>
在不同的拓?fù)渲?，磁性元件的作用也是不同的。在正激變換器中的變壓器，磁性能量在主開關(guān)管開通的時候由初級繞組傳遞到次級繞組中。然而，在反激變換器中的“變壓器”并不完全是一個變壓器，而是兩個連接的電感器。在反激拓?fù)渲械摹白儔浩鳌痹谥鏖_關(guān)管開通的時候初級繞組儲存能量，而在關(guān)閉的時候?qū)⒛芰總魉偷酱渭壚@組。因此，這種插入技術(shù)的優(yōu)點同上面相比是不同的。應(yīng)用于這種變壓器的插入技術(shù)的特點如下：

1)在磁芯中儲存的能量沒有減少，因為電流在某時刻只能在一個繞組中流動，并且沒有電流補償；
2)電流的分布并不理想，原因同上，因此交流阻抗也沒有減小；
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

平面變壓器的優(yōu)點如上所述，同樣它也有缺點，其最主要的缺點就是設(shè)計的過程非常復(fù)雜，而且設(shè)計成本也非常高。

下面介紹一種標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)計平面變壓器的程序步驟[3];它通過提供一個標(biāo)準(zhǔn)的匝數(shù)模型的設(shè)計，使之能夠被使用于不同的平面變壓器中，從而使得設(shè)計過程大大簡化，費用大大降低。

在雙面PCB板的每一層都是由一到多匝的繞組組成的，而且所有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。在有些多匝的層次中，這個外部連接點是不同匝數(shù)間的電氣連接點。如果有些層只有一匝，它也可以被印制在PCB的雙面來降低交流阻抗。使用銅箔直接印制在PCB板上來替代傳統(tǒng)的導(dǎo)線，即使在許多需要很多匝數(shù)的開關(guān)電源中，變壓器依舊能保持一個很小的體積，這便大大減小了整機的體積。具體的設(shè)計步奏和注意事項請參閱文獻(xiàn)[3]。圖6顯示了一個頂層的標(biāo)準(zhǔn)匝數(shù)設(shè)計的例子，它使用的是罐形(RM)磁芯。


銅箔高度按照對應(yīng)于最大開關(guān)頻率時的趨膚深度選取，這樣可以使銅箔的所有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)該使每一種開關(guān)頻率對應(yīng)于不同的銅箔高度。

4實驗論證

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和次級繞制而成。兩種變壓器都被運用于一個互補控制的半橋變換器中。兩個變壓器的參數(shù)如下：

初級12匝：
次級兩個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。
平面變壓器初級繞組做成4層，有4個并列的次級。這個變壓器的最終結(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。

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，并且因為體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)計平面變壓器的方法，使得設(shè)計平面變壓器變得更加容易，成本也將大大降低?？梢灶A(yù)見，平面變壓器將有著相當(dāng)好的應(yīng)用前景。