平面變壓器在開關電源中的技術優勢

   日期：2023-06-02

  高功率密度是當今開關電源發展的主要趨勢，要做到這一點，一個重要的技術就是提高電源中磁元件的功率密度。平面變壓器因為特殊的平面結構和繞組的緊密耦合，使得高頻寄生參數得到了很大的降低，極大地改進了開關電源的工作表現，因此在近些年得到了普遍的應用。本文研究了幾種不同的平面結構和繞組制作的方式，并且談到了設計平面變壓器的一個標準方法，這將使得設計過程變得更加簡單，而且可以很大降低設計成本。實際比較了平面變壓器和傳統變壓器的一些參數，并給出了設計方針。

  磁元件的設計是開關電源中一個重要的設計，因為平面變壓器在提高開關電源的特性方面有著很大的優勢，因此在近些年得普遍的應用。對于一個理想的變壓器來說，全部的磁路穿過次級線圈，即沒有漏磁通。對普通變壓器來說，并不是初級線圈中產生的全部磁通都穿過次級線圈。

  1、平面變壓器的特性研究

  平面磁芯開發成功，可實現平面化的變壓器設計。由于平面變壓器要求磁芯、繞組是平面結構，所以應該采用多層PCB繞組?，F在，已有許多公司開發出了平面變壓器，Pulse公司開發出了平面磁性元件，以色列佩頓公司 Payton已開發了Planetics平面變壓器，功率由5W到20KW、頻率自20KHz到2MHz，效率通?？蛇_98%，是電信、電焊機、計算機和外設、網絡、醫療電子、工業控制、安全系統和電子設備的理想選擇。平面變壓器的特點是高頻，低造型，高度很小而工作頻率很高。變壓器是電源中的一個關鍵元件。傳統的變壓器通常由鐵氧體磁芯及銅線圈構成，體積龐大而且容易產生電磁干擾。平面變壓器（Planar Transformer）可有效地解決體積及高頻問題。

  平面變壓器與傳統的變壓器相比較大的區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成變壓器的磁回路。這種設計有低的直流銅阻、低的漏感和分布電容，可滿足諧振電路的設計要求。而且由于磁芯良好的磁屏蔽，可遏制射頻干擾。

  如前所述，平面變壓器的優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合，使得在相鄰的匝數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導線或是直接用銅泊。扁平的幾何形狀降低了開關頻率較高時趨膚效應的損耗，也就是渦流損耗。因此，能有效地利用銅導體的表面導電性能，效率要比傳統變壓器高得多。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，應該選用較薄的絕緣體來獲得小的漏感值。

  然而，容性效應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線使得容性效應非常的明顯。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越高，變壓器的容性值越高。而容性效應會引起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。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

  插入技術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。

  現在插入技術的研究被分為兩個方面，即應用于變壓器的插入（正激電路）和應用于連接電感器的插入（反激電路）。因此，插入技術現在已經被放在不同的拓撲中作為不同的磁性部件來研究。

  2.1、應用于平面變壓器的插入技術

  應用于變壓器中的插入技術的主要優點如下：

  1）使變壓器中磁性能量儲存的空間減少，導致漏感的減少；

  2）使電流傳輸過程中在導體上理想分布，導致交流阻抗的減少；

  3）繞組間更好的耦合作用，導致更低的漏感。

  為了說明插入技術的特征，圖4給出了應用3種不同插入技術的結構，PDaibiao初級繞組，sDaibiao次級繞組。圖5顯示了在500 kHz時，3種結構的交流阻抗和漏感值，通過比較可以很容易地發現應用了插入技術的變壓器，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構的優勢

  在發電機中，不管是線圈運動通過磁場或磁場運動通過固定線圈，均能在線圈中感應電勢，此兩種情況，磁通的值均不變，但與線圈相交鏈的磁通數量卻有變動，這是互感應的原理。變壓器就是一種利用電磁互感應，變換電壓，電流和阻抗的器件。

  變頻器：通過它調整能夠達到所需要的用電頻率（50hz,60hz等），來滿足我們對用電的特殊需要。 變壓器：一般為“降壓器”，常見于小區附近或工廠附近，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的原理來改變交流電壓的裝置，主要構件是初級線圈、次級線圈和鐵心（磁芯）。在電器設備和無線電路中，常用作升降電壓、匹配阻抗，安全隔離等。

  平面變壓器另一個重要的優點是高度很低，這使得在磁芯上可以設置比較多的匝數。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。

  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，使得它成為較好的選擇。

  2.3、在不同拓撲中平面變壓器的作用

  在不同的拓撲中，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。在反激拓撲中的“變壓器”在主開關管開通的時候初級繞組儲存能量，而在關閉的時候將能量傳送到次級繞組。應用于這種變壓器的插入技術的特點如下：

  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??；

  3）插入使得繞組間產生較好的耦合，因此有比較小的漏感值。

  3、平面變壓器的標準化設計

  平面變壓器的優點如上所述，同樣它也有缺點，其主要的缺點就是設計的過程非常復雜，而且設計成本也非常高。

  下面介紹一種標準的設計平面變壓器的程序步驟；它通過提供一個標準的匝數模型的設計，使之能夠被使用于不同的平面變壓器中，從而使得設計過程很大簡化，費用很大降低。

  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。在有些多匝的層次中，這個外部連接點是不同匝數間的電氣連接點。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板上來替代傳統的導線，即使在許多需要很多匝數的開關電源中，變壓器依舊能保持一個很小的體積，這便很大減小了整機的體積。圖5顯示了一個頂層的標準匝數設計的例子，它使用的是罐形（RM）磁芯。

  銅箔高度按照對應于ZUI大開關頻率時的趨膚深度選取，這樣可以使銅箔的全部部分都成為電流通路，很大減少集膚效應的影響。因此，應該使每一種開關頻率對應于不同的銅箔高度。

  4、實驗論證

  為了比較平面變壓器和傳統變壓器，分別做了兩種變壓器的模型，一種使用平面結構并使用了插入技術，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。兩個變壓器的參數如下：

  初級 12匝：

  次級兩個l匝的繞組（1：1中心抽頭）。

  傳統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ZUI終結構如圖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，結果列于表1。

  由表1可知，平面變壓器的漏感只有為傳統變壓器的1／5，交流阻抗也只有為l／3，由此可見這將很大提高變換器的工作特性。而且，由于結構的更加緊湊，使得可以使用更小的RM8磁芯。

  5、結語

  平面變壓器在減小漏感、交流阻抗等方面有著非常大的優點，并且因為體積的小巧使之成為一種非常好的磁性元件。給出了一種標準的設計平面變壓器的方法，使得設計平面變壓器變得更加容易，成本也將很大降低?？梢灶A見，平面變壓器將有著相當好的應用前景。