平面變壓器在開關電源中的技術優(yōu)勢-

1、平面變壓器在開關電源中的技術優(yōu)勢作者:宋曉冬 陳果 王志強摘要:高功率密度是當今開關電源發(fā)展的主要趨勢,要做到這一點,必須提高磁元件的功率密度平面變壓器因為特殊的平面結(jié)構(gòu)和繞組的緊密耦合,使得高頻寄生參數(shù)大大降低,極大地改進了開關電源的工作狀態(tài),因此近年來得到了廣泛的使用研究了幾種不同的平面結(jié)構(gòu)和繞組制作的方式,介紹了設計平面變壓器的一個標準方法,從而使得設計過程變得更加簡單,大大降低了設計成本。最后,比較了平面變壓器和傳統(tǒng)變壓器的一些參數(shù),并給出了設計方針。關鍵詞:平面變壓器;漏感;插入技術0 引言磁性元件的設計是開關電源的重要部分,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(yōu)勢,因此

2、近年來得到了廣泛的應用。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)進行擴充,以滿足設計的要求。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小;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想得到實現(xiàn)。但是,平

3、面結(jié)構(gòu)存在很高的容性效應等問題,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,能最有效地利用銅導體的表面導電性能,效率要比傳統(tǒng)

4、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,應該選用最薄的絕緣體來獲得最小的漏感值。 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(shù)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。

5、為了驗證,筆者做了一個試驗,在銅導線的間隙增加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?，F(xiàn)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(xiàn)在已經(jīng)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(yōu)點如下:1使變壓器中磁性能量儲存的空間減少,導

6、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(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500 kHz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(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

7、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

8、存能量,而在關閉的時候?qū)⒛芰總魉偷酱渭壚@組。因此,這種插入技術的優(yōu)點同上面相比是不同的。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 平面變壓器的標準化設計平面變壓器的優(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3;它通過提供一個標準的匝數(shù)模型的設計,使之能夠被使用于不同的平面變壓器中,從而使得設計過程大大簡化,

9、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)的導線,即使在許多需要很多匝數(shù)的開關電源中,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。具體的設計步奏和注意事項請參閱文獻3。圖6顯示了一個頂層的標準匝數(shù)設計的例子,它使用的是罐形(R M磁芯。 沈陽單片機開發(fā)網(wǎng)幫您精確掌握電子器件的使用細節(jié) 銅箔高度按照對應于最大開關頻率時的趨膚深度選取，

10、 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(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， 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 7.5Amm。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。 6 沈陽單片機開發(fā)網(wǎng)幫您精確掌握電子器件的使用細節(jié) 由表 1 可知，平面變壓器的漏感僅為傳統(tǒng)變壓器的 15，交流阻抗也僅為 l3，由此 可見這將大大提高變換器的工作特