論平面變壓器在開關(guān)電源中的技術(shù)優(yōu)勢
高功率密度是當(dāng)今開關(guān)電源發(fā)展的主要趨勢，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)了開關(guān)電源的工作表現(xiàn)，因此在近些年得到了廣泛應(yīng)用。 這篇文章研究了幾種不同的平面結(jié)構(gòu)和繞組制作的方式，并且他談到了設(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)過程變得更加簡單，而且可以降低設(shè)計(jì)成本。最后實(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。
敘詞：平面變壓器 漏感 插入技術(shù)
1.引言
磁元件的設(shè)計(jì)是開關(guān)電源中重要的一個(gè)設(shè)計(jì)，因?yàn)槠矫孀儔浩髟谔岣?a href="http://www.zsjn.com.cn" target=_blank>開關(guān)電源的特性
方面有著很大的優(yōu)勢，因此在近些年得到了廣泛應(yīng)用。對于一個(gè)理想的變壓器來說，所有的磁路穿過次級線圈，即沒有漏磁通。對普通電器來說，并不是初級線圈中產(chǎn)生的所有磁通都能穿過次級線圈。也就是說，初級線圈所產(chǎn)生磁通并非穿過伴隨次級線圈的所有繞線和導(dǎo)線。線圈或?qū)Ь�未耦合的部分就產(chǎn)生了自感，并且該能量儲(chǔ)存在“電感器”中，由于該“電感器”與主要功率傳送電路無耦合，故不能完全滿足在電源斷電時(shí)對隔離度的要求。另外，為了得到更好的電磁兼容器。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(gè)同樣大小的沖壓鐵氧化磁芯表面上。所以，平面變壓器的輸出電壓取決于磁芯的個(gè)數(shù)，而且平面變壓的輸出電流可以通過并聯(lián)進(jìn)行擴(kuò)充，以滿足設(shè)計(jì)的要求。因此平面部變壓器的特點(diǎn)就是顯而易見的了。首先因?yàn)槠矫胬@組的緊密耦合使得漏感大大的減小，另外一個(gè)非常重要的特征是因?yàn)槠矫孀儔浩魈厥獾慕Y(jié)構(gòu)使得他的高度非常低，這使得使用平面變壓器做一個(gè)板上變換器的設(shè)想得到現(xiàn)實(shí)。另外，平面結(jié)構(gòu)好存在很高的容性效應(yīng)等問題，這些也都大大限制了平面變壓器的大規(guī)模使用。但是這些缺點(diǎn)在某些應(yīng)用當(dāng)中，也可能轉(zhuǎn)換為一種優(yōu)點(diǎn)。另外，平面的磁芯結(jié)構(gòu)增大了散熱面積，有利于百年壓器的散熱。
這篇論文對不同結(jié)構(gòu)的平面變壓器做了一些分析，并對繞組的如何設(shè)計(jì)都進(jìn)行了討論。一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)計(jì)平面變壓器的程序也被提出。這比那些傳統(tǒng)使用PCB板變壓器的做法來的更加容易，而且會(huì)大大節(jié)約成本。
研究主要包括以下幾點(diǎn)：
★平面變壓器的特征研究；
★在不同的磁性部件中插入及散戶的研究；
★ 體積的減小和在多繞組應(yīng)用中平面變壓器的特性；
★ 在不同的拓?fù)渲衅矫孀儔浩鞯氖褂锰攸c(diǎn)。
2．平面變壓器的特性研究
如前面所講到的，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。漏感是一個(gè)感應(yīng)值，它是因?yàn)橐徊糠植淮┻^主能量回路中流動(dòng)的磁通所造成的。因?yàn)樵边吘�圈并不能完全耦合，所以漏感總是存在，那么就出現(xiàn)能量損耗了。繞組間越大的間隙就意味著越高的漏感，也就是更高的能量損失。不同于別的結(jié)構(gòu)和材料，平面變壓器沒有像傳統(tǒng)變壓器那樣很長的產(chǎn)生漏感的詞導(dǎo)線，而是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，因此在其中的能量耗損也就很小。
平面變壓器中的交流損耗也是非常小的。而在平面變壓器里，其繞組是做在印制電路板上的扁平傳導(dǎo)導(dǎo)線或是直接用銅箔。扁平的幾何形狀降低了開關(guān)頻率較高時(shí)趨膚效應(yīng)的損耗，也就是傳統(tǒng)所說的渦流損耗。因此，最能有效地利用銅導(dǎo)體的表面導(dǎo)電性能，效率要比傳統(tǒng)變壓器高的多。圖2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，而獲得漏感和交流阻抗值在不同的匝數(shù)間隙下的數(shù)值。
兩個(gè)圖給出了在不同的間隙下漏感和交流阻抗的變化，可以明顯的看出間隙越大，漏感越大，交流阻抗越小。在間隙增減1ｍｍ的狀況下漏感值增加了５倍之多。因此在滿足電氣絕緣需要的情況下，應(yīng)該選用最細(xì)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結(jié)合的導(dǎo)線間使得容性效應(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。絕緣材料的容性越高，將會(huì)使變壓器的容性值越高。而容性效應(yīng)會(huì)引起EMI，因?yàn)閺某跫壍酱渭壍淖钄_中只有容性回路的阻繞傳播這種干擾。為了驗(yàn)證，筆者做了一個(gè)試驗(yàn)，在銅導(dǎo)線的間隙增加0.2mm的情況下，電容值就增加了20%。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作出一個(gè)平衡的選擇。
3．交叉技術(shù)
交叉技術(shù)指的是，在初級和次級的層次的間隙中有足夠的位置去放置初級繞組。現(xiàn)在插入技術(shù)的研究被分為兩個(gè)方面：應(yīng)用于變壓器的交叉（正激電路）和應(yīng)用于連接電感器的交叉（反激電路）。因此交叉技術(shù)現(xiàn)在已經(jīng)被放在不同的拓?fù)渲凶鳛椴煌拇判圆考䜩硌芯俊?/P>
3．1應(yīng)用于平面變壓器的交叉技術(shù)
應(yīng)用于變壓器中的交叉技術(shù)的主要優(yōu)點(diǎn)顯示如下：
★ 在變壓器中磁性能量儲(chǔ)存空間的減少，導(dǎo)致漏感的減少。
★ 電流傳輸過程中，在導(dǎo)體上的理想分布，導(dǎo)致交流阻抗的減少。
★ 阻繞間更好的藕合作用，導(dǎo)致更低的漏感。
為了說明交叉技術(shù)的特征，下圖顯示了三種應(yīng)用了交叉技術(shù)的不同結(jié)構(gòu)。P代表初級繞組，S代表次級繞組。三種結(jié)構(gòu)運(yùn)用了交叉技術(shù)，但是顯示SPSP結(jié)構(gòu)是最好的。因?yàn)槌跫壓痛渭壍睦@組都是間隔交叉的。圖7和圖8顯示了在500KHZ時(shí)，三種結(jié)構(gòu)的交流阻抗和漏感值，通過比較可以容易的發(fā)現(xiàn)，應(yīng)用了交叉技術(shù)的變壓器中，交流阻抗和漏感值都有了很大的減少。
3．2外形特點(diǎn)和在多繞組變壓器中平面結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)
平面變壓器另外一個(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)非常高功率的變換器需要一個(gè)體積比較小的磁性元件，平面變壓器很好地滿足了這樣的要求。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(huì)造成體積和高度過大，會(huì)影響電源的整體設(shè)計(jì)，而平面變壓器因?yàn)樘厥獾慕Y(jié)構(gòu)特點(diǎn)，很好地解決了這一問題。
并且對于繞組的變壓器來說，繞組間保持很好的藕合非常重要。在這些變壓器中，如果漏感值很大的話，將會(huì)使得次級電壓的誤差非常的大，而平面變壓器因?yàn)楹芎玫呐汉献饔茫沟盟蔀楹芎玫倪x擇。
3．３
在不同的拓?fù)渲校判圆考淖饔靡彩遣煌模谡ぷ儞Q器的變壓器中，磁性能量在主開關(guān)管開通的時(shí)候由初級繞組傳遞到次級繞組中．然而，在反激變變換其中的“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)渲械摹白儔浩鳌痹谥鏖_關(guān)管開通的時(shí)候，次級繞組儲(chǔ)存能量，而在關(guān)閉的時(shí)刻將能量傳送到次級繞組。因此這種交叉技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)同上面的相比是不同的。應(yīng)用于這種變壓器的交叉技術(shù)的特點(diǎn)如下所示：
★ 在磁芯中儲(chǔ)存的能量沒有減少，因?yàn)殡娏髟谀硶r(shí)刻只能在一個(gè)繞組中流動(dòng)，并且沒有電流補(bǔ)償。
★ 電流的分布并不理想，原因同上，因此交流阻饒也沒有減小。
★ 交叉使得繞組空間產(chǎn)生較好的耦合，因此又比較小的漏感值。最后的實(shí)驗(yàn)參數(shù)將給出平面結(jié)構(gòu)和非平面結(jié)構(gòu)間漏感值的比較。
4．平面變壓器設(shè)計(jì)
平面變壓器的優(yōu)點(diǎn)在前面已經(jīng)論述了，但是這種結(jié)構(gòu)的變壓器追主要的缺點(diǎn)是設(shè)計(jì)的過程非常復(fù)雜，而且設(shè)計(jì)成本也非常高。這里提供了一種標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)計(jì)平面變壓器的程序步驟，這大大佳話了設(shè)計(jì)過程。它通過提供一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的匝數(shù)設(shè)計(jì)，能夠被使用于不同體積和匝數(shù)比要求的變壓器當(dāng)中。
這里介紹一種標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)計(jì)平面變壓器的方法，它通過設(shè)計(jì)了一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的匝數(shù)模型，這將使得設(shè)計(jì)過程大大簡化，而且費(fèi)用也會(huì)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，而且所有的層面都保持著一樣的物理特性：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的雙面來降低交流阻抗。因?yàn)槭褂勉~箔來直接印在PCB板上來替代傳統(tǒng)的導(dǎo)線，這個(gè)特性使得即使砸在許多需要很多匝數(shù)的開關(guān)斷垣中，變壓器依舊能保持一個(gè)很小的體積，這也大大減小了整機(jī)的體積。所有的涂層都有不同的形狀，根據(jù)電流密度標(biāo)準(zhǔn)，一個(gè)涂層可以并聯(lián)保持多層匝數(shù)。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RM磁芯。
每匝的銅箔高度的選擇應(yīng)該去對應(yīng)最大的開關(guān)頻率時(shí)得到的最佳效應(yīng)，這樣可以使銅箔的所有部分都成為電流通路，這樣可以大大減少積膚效應(yīng)的影響。因此，應(yīng)該使得每一種開關(guān)頻率對應(yīng)于不同的銅箔的高度來更加便利。
5．實(shí)驗(yàn)論證
為了比較平面變壓器和傳統(tǒng)變壓器的區(qū)別，于是分別做了兩種變壓器的模型。一種使用平面結(jié)構(gòu)并使用了交叉技術(shù)；另一種使用銅線在初級和次級繞制而成。兩種變壓器都將被運(yùn)用于一個(gè)互補(bǔ)控制的半橋變換器中。兩個(gè)變換器的參數(shù)顯示如下：
初級：12匝
次級：兩個(gè)1匝的繞組（1：1中心抽頭）
傳統(tǒng)變壓器使用銅線為800＊0.07,雖然在這些線圈中電流密度不盡相同，但是所有部分都被選擇滿足電流密度小于7.5mm2
插入部分：平面變壓器初級繞組做成四層，有四個(gè)并列的次級。為了滿足插入技術(shù)的條件，這些次級被認(rèn)為是非獨(dú)立的，因?yàn)樗鼈儾豢赡茉谕粫r(shí)刻作用(因?yàn)樽儔浩鞅贿\(yùn)用
于半橋互補(bǔ)控制電路當(dāng)中)。這個(gè)變壓器的最終結(jié)構(gòu)顯示于下圖。
兩種變壓器的比較：為了論證兩種變壓器的不同，比較了漏感、交流阻抗和占用的面積。兩種變壓器都使用了同樣的磁芯RM10比較如下表所示：
|
平面變壓器 |
傳統(tǒng)變壓器 | |
|
漏感 |
510 |
2480 |
|
交流阻抗 |
122 |
380 |
|
占用窗口面積（%） |
30 |
75 |
由上表可知，平面變壓器的漏感僅為傳統(tǒng)變壓器的五分之一，交流阻抗也僅為三分之一，由此可見，這將大大提高變換器的工作表現(xiàn)。而且，由于結(jié)構(gòu)的更加緊湊，使得可以使用更小的RM8。由這種比較，可以看出平面變壓器有著相當(dāng)好的應(yīng)用前景。
6．結(jié)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(yōu)點(diǎn)，并且因?yàn)轶w積的小巧，
使之成為了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。
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