平面变压器在开关电源中的技术优势

发布时间：2023-11-14 08:24:33来源：伊莱（深圳）电气有限公司

高功率密度是当今开关电源发展的主要趋势，要做到这一点，一个重要的技术就是提高电源中磁元件的功率密度。

平面变压器因为特殊的平面结构和绕组的紧密耦合，使得高频寄生参数得到了很大的降低，极大地改进了开关电源的工作表现，因此在近些年得到了普遍的应用。本文研究了几种不同的平面结构和绕组制作的方式，并且谈到了设计平面变压器的一个标准方法，这将使得设计过程变得更加简单，而且可以很大降低设计成本。实际比较了平面变压器和传统变压器的一些参数，并给出了设计方针。磁元件的设计是开关电源中一个重要的设计，因为平面变压器在提高开关电源的特性方面有着很大的优势，因此在近些年得普遍的应用。对于一个理想的变压器来说，全部的磁路穿过次级线圈，即没有漏磁通。对普通变压器来说，并不是初级线圈中产生的全部磁通都穿过次级线圈。、平面变压器的特性研究平面磁芯开发成功，可实现平面化的变压器设计。由于平面变压器要求磁芯、绕组是平面结构，所以应该采用多层PCB绕组。现在，已有许多公司开发出了平面变压器，Pulse公司开发出了平面磁性元件，以色列佩顿公司 Payton已开发了Planetics平面变压器，功率由W到KW、频率自KHz到MHz，效率通常可达%，是电信、电焊机、计算机和外设、网络、医疗电子、工业控制、安全系统和电子设备的理想选择。平面变压器的特点是高频，低造型，高度很小而工作频率很高。变压器是电源中的一个关键元件。传统的变压器通常由铁氧体磁芯及铜线圈构成，体积庞大而且容易产生电磁干扰。平面变压器（Planar Transformer）可有效地解决体积及高频问题。平面变压器与传统的变压器相比较大的区别在于铁芯及线圈绕组。平面变压器采用小尺寸的E型、RM型或环型铁氧体磁芯，通常是由高频功率铁氧体材料制成，在高频下有较低的磁芯损耗；绕组采用多层印刷电路板迭绕而成，绕组或铜片迭在平面的高频铁芯上构成变压器的磁回路。这种设计有低的直流铜阻、低的漏感和分布电容，可满足谐振电路的设计要求。而且由于磁芯良好的磁屏蔽，可遏制射频干扰。如前所述，平面变压器的优点主要集中在较低的漏感值和交流阻抗。绕组问的间隙越大意味着漏感越大，也就产生更高的能量损失。平面变压器利用铜箔与电路板间的紧密结合，使得在相邻的匝数层间的间隙非常的小，因此能量损耗也就很小了。在平面型变压器里，其“绕组”是做在印制电路板上的扁平传导导线或是直接用铜泊。扁平的几何形状降低了开关频率较高时趋肤效应的损耗，也就是涡流损耗。因此，能有效地利用铜导体的表面导电性能，效率要比传统变压器高得多。图给出了一个平面变压器的剖面图，并且利用两层绕组间距离的不同，而获得在不同间隙下的漏感和交流阻抗值。图与图给出了在不同的间隙下漏感和交流阻抗的变化，可以明显地看出间隙越大，漏感越大，交流阻抗越小。在间隙增加mm的状况下漏感值增加了倍之多。因此，在满足电气绝缘的情况下，应该选用较薄的绝缘体来获得小的漏感值。然而，容性效应在平面变压器中是非常重要的，在印制电路板上紧密绕制的导线使得容性效应非常的明显。而且绝缘材料的选取对容性值也有着非常大的影响，绝缘材料的介电常数越高，变压器的容性值越高。而容性效应会引起EMI，因为从初级到次级的绕组中只有容性回路的绕组传播这种干扰。因此，如果需要一个比较低的电容值，则必须在漏感和电容值之间做出一个折中的选择。、插入技术插入技术是指在布置变压器原、副边绕组时，使原边绕组与副边绕组交替放置，增加原、副边绕组的耦合以减小漏感，同时使得电流平均分布，减小变压器损耗。现在插入技术的研究被分为两个方面，即应用于变压器的插入（正激电路）和应用于连接电感器的插入（反激电路）。因此，插入技术现在已经被放在不同的拓扑中作为不同的磁性部件来研究。 .、应用于平面变压器的插入技术应用于变压器中的插入技术的主要优点如下：）使变压器中磁性能量储存的空间减少，导致漏感的减少；）使电流传输过程中在导体上理想分布，导致交流阻抗的减少；）绕组间更好的耦合作用，导致更低的漏感。为了说明插入技术的特征，图给出了应用种不同插入技术的结构，PDaibiao初级绕组，sDaibiao次级绕组。图显示了在kHz时，种结构的交流阻抗和漏感值，通过比较可以很容易地发现应用了插入技术的变压器，交流阻抗和漏感值都有了很大的减少。 .、多绕组变压器中平面结构的优势在发电机中，不管是线圈运动通过磁场或磁场运动通过固定线圈，均能在线圈中感应电势，此两种情况，磁通的值均不变，但与线圈相交链的磁通数量却有变动，这是互感应的原理。变压器就是一种利用电磁互感应，变换电压，电流和阻抗的器件。变频器：通过它调整能够达到所需要的用电频率（hz,hz等），来满足我们对用电的特殊需要。变压器：一般为“降压器”，常见于小区附近或工厂附近，它的作用是将超高的电压降到我们居民正常用电电压，满足人们的日常用电。变压器利用电磁感应的原理来改变交流电压的装置，主要构件是初级线圈、次级线圈和铁心（磁芯）。在电器设备和无线电路中，常用作升降电压、匹配阻抗，安全隔离等。平面变压器另一个重要的优点是高度很低，这使得在磁芯上可以设置比较多的匝数。一个高功率密度的变换器需要一个体积比较小的磁性元件，平面变压器很好地满足了这一要求。另外，对于多绕组的变压器来说，绕组间保持很好的耦合非常重要。如果耦合不理想则漏感值增大，将会使得次级电压的误差增大。而平面变压器因为具有很好的耦合，使得它成为较好的选择。 .、在不同拓扑中平面变压器的作用在不同的拓扑中，磁性元件的作用也是不同的。在正激变换器中的变压器，磁性能量在主开关管开通的时候由初级绕组传递到次级绕组中。然而，在反激变换器中的“变压器”并不完全是一个变压器，而是两个连接的电感器。在反激拓扑中的“变压器”在主开关管开通的时候初级绕组储存能量，而在关闭的时候将能量传送到次级绕组。应用于这种变压器的插入技术的特点如下：）在磁芯中储存的能量没有减少，因为电流在某时刻只能在一个绕组中流动，并且没有电流补偿；）电流的分布并不理想，原因同上，因此交流阻抗也没有减小；）插入使得绕组间产生较好的耦合，因此有比较小的漏感值。、平面变压器的标准化设计平面变压器的优点如上所述，同样它也有缺点，其主要的缺点就是设计的过程非常复杂，而且设计成本也非常高。下面介绍一种标准的设计平面变压器的程序步骤；它通过提供一个标准的匝数模型的设计，使之能够被使用于不同的平面变压器中，从而使得设计过程很大简化，费用很大降低。在双面PCB板的每一层都是由一到多匝的绕组组成的，而且全部的层都保持着一样的物理特性：即相同的形状和相同的外部连接点。在有些多匝的层次中，这个外部连接点是不同匝数间的电气连接点。如果有些层只有一匝，它也可以被印制在PCB的双面来降低交流阻抗。使用铜箔直接印制在PCB板上来替代传统的导线，即使在许多需要很多匝数的开关电源中，变压器依旧能保持一个很小的体积，这便很大减小了整机的体积。图显示了一个顶层的标准匝数设计的例子，它使用的是罐形（RM）磁芯。铜箔高度按照对应于ZUI大开关频率时的趋肤深度选取，这样可以使铜箔的全部部分都成为电流通路，很大减少集肤效应的影响。因此，应该使每一种开关频率对应于不同的铜箔高度。、实验论证为了比较平面变压器和传统变压器，分别做了两种变压器的模型，一种使用平面结构并使用了插入技术，另一种使用铜线分别在初级和次级绕制而成。两种变压器都被运用于一个互补控制的半桥变换器中。两个变压器的参数如下：初级匝：次级两个l匝的绕组（：中心抽头）。传统变压器使用漆包线作为绕组，虽然在这些线圈中电流密度不尽相同，选择电流密度小于.A／mm。平面变压器初级绕组做成层，有个并列的次级。这个变压器的ZUI终结构如图所示。两种变压器都使用了同样的磁芯RM，比较了两种变压器的漏感，交流阻抗和占用的面积，结果列于表。由表可知，平面变压器的漏感只有为传统变压器的／，交流阻抗也只有为l／，由此可见这将很大提高变换器的工作特性。而且，由于结构的更加紧凑，使得可以使用更小的RM磁芯。、结语平面变压器在减小漏感、交流阻抗等方面有着非常大的优点，并且因为体积的小巧使之成为一种非常好的磁性元件。给出了一种标准的设计平面变压器的方法，使得设计平面变压器变得更加容易，成本也将很大降低。可以预见，平面变压器将有着相当好的应用前景。

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