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浅谈平面变压器在开关电源中的技术优势

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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 bian ya qi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,使得它成为最佳的选择。

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,其最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[3];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。[p]

在双面PCB板的每一层都是由一到多匝的绕组组成的,而且所有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6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。

顶层的标准匝数设计的例子

铜箔高度按照对应于最大开关频率时的趋肤深度选取,这样可以使铜箔的所有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。这个变压器的最终结构如图7所示。

 

变压器的最终结构

  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。

两种变压器比较

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。


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广泛的应用。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。最后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。

引言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,因此在近些年得到广泛的应用。对于一个理想的变压器来说,所有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所有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最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,能最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。

平面变压器的剖面图

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,应该选用最薄的绝缘体来获得最小的漏感值。

不同的间隙下漏感和交流阻抗的变化

不同的间隙下漏感和交流阻抗的变化

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。[p]

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。

应用3种不同插入技术的结构

 2.2 多绕组变压器中平面结构的优势

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