平面變壓器在開關(guān)電源中應(yīng)用的優(yōu)越性分析
1 引言
近年來(lái)，隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展和成熟，人們逐漸認(rèn)識(shí)到磁性元件不僅是電源中的功能元件，同時(shí)其體積、重量、損耗在整機(jī)中也占相當(dāng)比例。據(jù)統(tǒng)計(jì)，磁性元件的重量一般是變換器總重量的30％～40％，體積占總體積的20％～30％，對(duì)于模塊化設(shè)計(jì)的高頻電源，磁性元件的體積、重量所占的比例還會(huì)更高。另外，磁性元件還是影響電源輸出動(dòng)態(tài)性能和輸出紋波的一個(gè)重要因素。因此，要提高開關(guān)電源的功率密度、效率和輸出品質(zhì)，關(guān)鍵是提高其中磁元件的功率密度，降低磁性元件的體積和重量。平面變壓器因?yàn)槠涮厥獾钠矫娼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，極大改進(jìn)了開關(guān)電源的工作表現(xiàn)。因此，近年來(lái)其在開關(guān)電源領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。本文綜述了近年來(lái)發(fā)展的平面變壓器技術(shù)，與傳統(tǒng)變壓器進(jìn)行比較，分析了平面變壓器在當(dāng)今開關(guān)電源發(fā)展應(yīng)用的優(yōu)勢(shì)和前景。
2 平面變壓器的結(jié)構(gòu)
變壓器是電源中的一個(gè)關(guān)鍵元件。傳統(tǒng)的繞線變壓器通常由鐵氧體磁芯及銅線圈構(gòu)成，體積龐大而且容易產(chǎn)生電磁干擾。而平面變壓器與傳統(tǒng)的繞線變壓器最大的區(qū)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(huán)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，然后迭放在平面的高頻磁芯上構(gòu)成變壓器的磁回路。圖1中表示出了一種典型的多層板平面變壓器結(jié)構(gòu)。這種設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)要求。而且由于磁芯良好的磁屏蔽，可抑制射頻干擾。并且平面變壓器原邊繞組的匝數(shù)通常也只有數(shù)匝，不僅有效降低了銅損和分布電容、電抗，而且為繞制帶來(lái)了很多便利。由于磁芯是用簡(jiǎn)單的沖壓件組合而成的，性能的一致性大大提高，也為大批量生產(chǎn)降低了成本。從而有效地解決體積及高頻問(wèn)題，為電源變換器的輕型化、小型化提供了可能。
市面上的平面變壓器鐵心有帶夾槽和無(wú)夾槽兩種。帶夾槽鐵心通過(guò)廠家提供的夾板來(lái)固定；無(wú)夾槽鐵心之間的固定采用樹脂膠合的方式。采用帶夾槽鐵心的變壓器適用于高溫升場(chǎng)合，且比較牢固，如圖2a所示；無(wú)夾槽鐵心制成的變壓器高度比帶夾槽的變壓器要低一些。設(shè)計(jì)者可按實(shí)際情況選擇鐵心。若選擇無(wú)夾槽鐵心，注意樹脂不可粘在兩塊鐵心的結(jié)合面，這樣鐵心之間會(huì)存在氣隙，應(yīng)把樹脂粘在鐵心的外側(cè)，如圖2b所示。
圖2. 兩種平面變壓器鐵心的結(jié)合方式
平面變壓器與傳統(tǒng)變繞線壓器相比具有許多的優(yōu)點(diǎn)：
1）體積小，剖面低。由于平面變壓器采用了鐵氧體磁芯，縮小了變壓器的體積，一般高度均小于20mm.
2）高功率密度。由于平面變壓器結(jié)構(gòu)上的優(yōu)勢(shì)，提高了其電氣特性，使其比傳統(tǒng)變壓器的功率密度高3倍。
3）高電壓、高電流。在平面變壓器中，導(dǎo)線實(shí)際是一些平面導(dǎo)體，因而電流密度大，每層繞組最大電流可達(dá)200A，次級(jí)升壓可達(dá)20kV以上。
4）大功率。單個(gè)器件功率可達(dá)0.5kW～ 25kW.
5）高效率?？蛇_(dá)到98％～99％。
6）低漏感。約為初級(jí)電感的0.2％左右。
7）工作頻率范圍寬。其頻率范圍為50kHz～2MHz.
8）工作溫度范圍寬。-40℃～130℃。
9）因有固定的及預(yù)先加工好的繞組結(jié)構(gòu)，參數(shù)穩(wěn)定可重復(fù)特性好。
10）散熱好。熱通道距離短，溫升低，散熱面積大，熱傳導(dǎo)效果好。
11）低EMI輻射。因具有高效磁芯屏蔽，從而可抑制射頻干擾。
12）高絕緣性。繞組之間、初-次級(jí)及次-次級(jí)間具有高絕緣性，初-次級(jí)間絕緣隔離可達(dá)4kV.
13）組裝性能好。
將現(xiàn)有的三種類型的變壓器（常規(guī)變壓器、壓電陶瓷變壓器和平面變壓器）的性能進(jìn)行比較，見表 1：
鑒于平面變壓器的上述種種技術(shù)參數(shù)上的優(yōu)越性，它可以廣泛應(yīng)用在筆記本電腦、數(shù)碼相機(jī)、數(shù)字化電視、通信電源、汽車電子等領(lǐng)域。一只200W的低高度平面變壓器僅1 4mm高 ，比傳統(tǒng)的高頻產(chǎn)品體積小，重量也輕了許多。由于其寄生電抗極小。即繞組間電容和漏電感極小。故效率高達(dá)97％ ，最高工作頻率為2MHz.漏抗小于0.2％ .目前國(guó)外的微型電子變壓器的發(fā)展較快，已經(jīng)生產(chǎn)出5mm×5mm×5mm的微型變壓器和厚薄僅為0.2mm的平面變壓器，我國(guó)少數(shù)外資企業(yè)已經(jīng)有此類封裝微型電子變壓器，而國(guó)內(nèi)企業(yè)尚待開發(fā)。由于汽車中特殊的電氣和機(jī)械環(huán)境，對(duì)變壓器設(shè)計(jì)和工藝提出更嚴(yán)格的要求。平面變壓器已經(jīng)在中檔轎車中使用。其次，寬帶傳輸應(yīng)用的平面變壓器，也顯示了良好的發(fā)展前景。
4 平面變壓器的分類
從變壓器在開關(guān)電源中所處的位置上看，平面變壓器可以分為獨(dú)立式和嵌入式平面變壓器。
獨(dú)立式平面變壓器是利用平面銅制引線框架或印制板的銅線為繞阻而構(gòu)成。精密的銅制引線框架或印制繞組使設(shè)計(jì)規(guī)格比線繞變壓器更精確地符合要求，器件間的重復(fù)性水平也得到提高。
蝕刻銅制引線框架或印制型繞阻被堆疊在平面中，與高頻鐵氧體磁芯構(gòu)成變壓器的磁路。該設(shè)計(jì)使其成為一個(gè)非常低剖面的變壓器組件。在平面設(shè)計(jì)中實(shí)現(xiàn)大的橫截面積銅導(dǎo)體使高功率密度和高電流的設(shè)計(jì)變得更加容易。平面繞組和鐵氧體的高表面容量比使平面變壓器具有良好散熱功能。
圖3. 開關(guān)電源上的平面變壓器
特別是在高工作頻率下，高轉(zhuǎn)換效率是平面變壓器的關(guān)鍵的優(yōu)勢(shì)。在繞線變壓器中，效率被“趨膚效應(yīng)”逆反影響，即當(dāng)高頻電流通過(guò)圓柱形導(dǎo)體時(shí)迫使電子由中部流向邊緣集中在銅線表面，從而減少了電流通過(guò)的導(dǎo)體橫截面積。
從生產(chǎn)加工的角度來(lái)看，平面變壓器也優(yōu)于線繞變壓器。繞線變壓器通常要求手工操作來(lái)剝?nèi)ピ诶@線端的涂料，然后再焊錫。而在平面變壓器上的壓制或蝕刻銅片的引出端常常能形成表面貼裝終端以便于增長(zhǎng)裝配速度和重復(fù)性，從面減少成本。
嵌入式變壓器利用DC/DC轉(zhuǎn)換器的電路板作為自己的繞組，它比獨(dú)立式平面變壓器占用空間更小。但它每一組輸入/輸出電壓都需要設(shè)計(jì)不同的電路板，而且，對(duì)于嵌入式平面設(shè)計(jì)，因?yàn)槲g刻線圈需要使用多層電路板，所以總體成本較高。一些混合設(shè)計(jì)利用主板作為初級(jí)繞線，然后用分離的小PCB作為次級(jí)來(lái)產(chǎn)生不同的輸出電壓。這種設(shè)計(jì)也很普遍。
雖然嵌入式設(shè)計(jì)達(dá)到高功率密度并擁有良好的熱性能以實(shí)現(xiàn)空間節(jié)約的特性，但是對(duì)于許多應(yīng)用，這些優(yōu)點(diǎn)被成本、缺乏靈活性和可互換性所限制。不過(guò)高生產(chǎn)量將能在一定程度上抵銷嵌入式設(shè)計(jì)的較高成本。
5 平面變壓器設(shè)計(jì)
5.1繞組間距選擇
不同于其它結(jié)構(gòu)和材料，平面變壓器沒有像傳統(tǒng)變壓器那樣很長(zhǎng)的產(chǎn)生漏感的導(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(dǎo)導(dǎo)線或是直接用銅泊。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(shuō)的渦流損耗。因此，能最有效地利用銅導(dǎo)體的表面導(dǎo)電性能，效率要比傳統(tǒng)變壓器高的多。但平面變壓器的特性并不全是優(yōu)點(diǎn)。平面變壓器一、二次側(cè)繞組之間的間距較小，儲(chǔ)存磁能少，所以漏感也較?。坏@樣卻使得一、二次側(cè)產(chǎn)生的寄生電容變大。另外，PCB繞組的可重現(xiàn)化特性卻是以增大鐵心繞線窗中絕緣材料的比例為代價(jià)，降低了銅填充系數(shù)，限制了線圈匝數(shù)?？梢酝ㄟ^(guò)調(diào)整繞組間的距離調(diào)整漏感的大小。
下面兩個(gè)表給出了在不同的繞組間距下漏感和交流阻抗的變化?？梢悦黠@的看出間隙越大，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五倍之多。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(lái)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(duì)容性值也有著非常大的影響，絕緣材料的容性越高，將會(huì)是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?jí)到次級(jí)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(gè)比較低的電容值，則必須在漏感和電容值之間做出一個(gè)平衡的選擇。
5.2交叉技術(shù)
交叉技術(shù)指的是指在布置變壓器原、副邊繞組的時(shí)候使得原邊繞組＆副邊繞組交替放置，增加原、副邊繞組的耦合，減小漏感，同時(shí)使得電流平均分布，減小變壓器損耗。
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?lái)研究。
應(yīng)用于變壓器中的交叉技術(shù)[8]的主要優(yōu)點(diǎn)顯示如下：
圖6.運(yùn)用交叉技術(shù)的三種不同結(jié)構(gòu)
為了說(shuō)明交叉技術(shù)的特征，圖6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(jí)繞組，S代表次級(jí)繞組。三種結(jié)構(gòu)運(yùn)用了交叉技術(shù)，但顯示SPSP結(jié)構(gòu)是最好的，因?yàn)槌跫?jí)和次級(jí)的繞組都是間隔交叉的。圖7中顯示了在500KHZ時(shí)，三種結(jié)構(gòu)的交流阻抗和漏感值，通過(guò)比較可以很容易的發(fā)現(xiàn)在變壓器中應(yīng)用了交叉技術(shù)后，交流阻抗和漏感值都有了很大的減少。C&D Technologies公司已經(jīng)將交叉技術(shù)應(yīng)用在其WPA60雙輸出四分之一磚DC/DC轉(zhuǎn)換器上。如圖8所示。相對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)的平面變壓器，這種變壓器提供了更高的功率。
圖8. C&D Technologies公司APA50/WPA60系列平面變壓器
此設(shè)計(jì)交錯(cuò)了初級(jí)和次級(jí)繞線，以減少不合需要的漏電感。一個(gè)直接的“三明治”式初級(jí)－次級(jí)－初級(jí)或次級(jí)－初級(jí)－次級(jí)能夠減少漏電感。高漏電感將導(dǎo)致不完整的耦合，損耗和瞬態(tài)電壓等缺陷 .
盡管采用交叉繞組具有顯著的優(yōu)點(diǎn)，但仍有一些重點(diǎn)需要考慮。例如，因?yàn)橛休^多的端子，初級(jí)和次級(jí)電路的隔離變得更加困難。而且，設(shè)計(jì)要求初級(jí)和次級(jí)之間EMI 屏蔽，將會(huì)要求額外數(shù)量的屏蔽物。
5.3 平面變壓器設(shè)計(jì)步驟
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)的變壓器最主要的缺點(diǎn)就是設(shè)計(jì)的過(guò)程非常復(fù)雜，設(shè)計(jì)成本高。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，這大大簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)過(guò)程。它通過(guò)提供了一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的匝數(shù)設(shè)計(jì)，能夠被使用與不同的平面變壓器當(dāng)中。
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：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(lái)降低交流阻抗。因?yàn)槭褂勉~箔來(lái)直接印在PCB板上來(lái)替代傳統(tǒng)的導(dǎo)線，這個(gè)特性使得即使在許多需要很多匝數(shù)的開關(guān)電源中，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。具體的設(shè)計(jì)步奏和注意事項(xiàng)請(qǐng)參閱文獻(xiàn)[6]、[7].銅箔高度按照對(duì)應(yīng)于最大的開關(guān)頻率時(shí)的趨膚深度選取，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)得影響。因此，應(yīng)該使得每一種開關(guān)頻率對(duì)應(yīng)于不同的銅箔的高度來(lái)的更加便利。
6 結(jié)論
很明顯，線繞變壓器已經(jīng)越來(lái)越不適宜用于一些DC/DC變換器及其它應(yīng)用中。其大體積、低效率和不能滿足制造重復(fù)性的困難意味著它們正快速的被新技術(shù)取代。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積的小巧使之成為一種非常好的磁性元件。文獻(xiàn)[6]給出了一種標(biāo)準(zhǔn)的平面變壓器設(shè)計(jì)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?？梢钥闯銎矫孀儔浩髟陂_關(guān)電源中有良好的應(yīng)用前景，DC/DC轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)者的選擇也將越來(lái)越多。
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