平面变压器在开关电源中的技术优势

　　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，而且可以大大降低设计成本。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。


　　1、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5W到20KW、频率自20KHz到2MHz，效率通常可达98%，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，可抑制射频干扰。


　　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1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2与图3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1mm的状况下漏感值增加了5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。


　　2、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。


　　2.1、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：
　　1）使变压器中磁性能量储存的空间减少，导致漏感的减少；
　　2）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；
　　3）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4给出了应用3种不同插入技术的结构，P代表初级绕组，s代表次级绕组。图5显示了在500 kHz时，3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。 　　2.2、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（50hz,60hz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。


　　2.3、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：
　　1）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；
　　2）电流的分布并不理想，原因同上，因此交流阻抗也没有减小；
　　3）插入使得绕组间产生较好的耦合，因此有比较小的漏感值。


　　3、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，从而使得设计过程大大简化，费用大大降低。


　　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，这便大大减小了整机的体积。图5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，大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。


　　4、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 12匝：
　　次级两个l匝的绕组（1：1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7.5A／mm。
　　平面变压器初级绕组做成4层，有4个并列的次级。这个变压器的ZUI终结构如图7所示。 　　两种变压器都使用了同样的磁芯RM10，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1。 　　由表1可知，平面变压器的漏感仅为传统变压器的1／5，交流阻抗也仅为l／3，由此可见这将大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RM8磁芯。


　　5、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，成本也将大大降低。可以预见，平面变压器将有着相当好的应用前景。