平面變壓器在開關電源中應用的優越性分析

1引言近年來，隨著電力電子技術的發展和成熟，人們逐漸認識到磁性元件不僅是電源中的功能元件，同時其體積、重量、損耗在整機中也占相當比例。據統計，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％，關于模塊化設計的高頻電源，磁性元件的體積、重量所占的比例還會更高。另外，磁性元件還是影響電源輸出動態性能和輸出紋波的一個重要因素。因此，要提高開關電源的功率密度、效率和輸出品質，關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。平面變壓器因為其特殊的平面結構和繞組的緊密耦合，使得高頻寄生參數得到了很大的降低，極大改進了開關電源的工作表現。因此，近年來其在開關電源領域得到了廣泛的應用。本文綜述了近年來發展的平面變壓器技術，與傳統變壓器進行比較，分析了平面變壓器在當今開關電源發展應用的優勢和前景。2平面變壓器的結構變壓器是電源中的一個關鍵元件。傳統的繞線變壓器通常由鐵氧體磁芯及銅線圈構成，體積龐大而且容易出現電磁干擾。而平面變壓器與傳統的繞線變壓器最大的差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構。這種設計有低的直流銅阻、低的漏感和分布電容，可滿足諧振電路的設計要求。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通常也只有數匝，不僅有效降低了銅損和分布電容、電抗，而且為繞制帶來了很多便利。由于磁芯是用簡單的沖壓件組合而成的，性能的一致性大大提高，也為大批量生產降低了成本。從而有效地解決體積及高頻問題，為電源變換器的輕型化、小型化供應了可能。

市面上的平面變壓器鐵心有帶夾槽和無夾槽兩種。帶夾槽鐵心通過廠家供應的夾板來固定；無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合，且比較牢固，如圖2a所示；無夾槽鐵心制成的變壓器高度比帶夾槽的變壓器要低一些。設計者可按實際情況選擇鐵心。若選擇無夾槽鐵心，注意樹脂不可粘在兩塊鐵心的結合面，這樣鐵心之間會存在氣隙，應把樹脂粘在鐵心的外側，如圖2b所示。

圖2.兩種平面變壓器鐵心的結合方式3平面變壓器的優勢及發展現狀平面變壓器與傳統變繞線壓器相比具有許多的優點：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。由于平面變壓器結構上的優勢，提高了其電氣特性，使其比傳統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，導線實際是一些平面導體，因而電流密度大，每層繞組最大電流可達200A，次級升壓可達20kV以上。4）大功率。單個器件功率可達0.5kW～25kW.5）高效率。可達到98％～99％。6）低漏感。約為初級電感的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）因有固定的及預先加工好的繞組結構，參數穩定可重復特性好。10）散熱好。熱通道距離短，溫升低，散熱面積大，熱傳導效果好。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-次級及次-次級間具有高絕緣性，初-次級間絕緣隔離可達4kV.13）組裝性能好。將現有的三種類型的變壓器（常規變壓器、壓電陶瓷變壓器和平面變壓器）的性能進行比較，見表1：鑒于平面變壓器的上述種種技術參數上的優越性，它可以廣泛應用在筆記本電腦、數碼相機、數字化電視、通信電源、汽車電子等領域。一只200W的低高度平面變壓器僅14mm高，比傳統的高頻產品體積小，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97％，最高工作頻率為2MHz.漏抗小于0.2％.目前國外的微型電子變壓器的發展較快，已經生產出5mm×5mm×5mm的微型變壓器和厚薄僅為0.2mm的平面變壓器，我國少數外資公司已經有此類封裝微型電子變壓器，而國內公司尚待開發。由于汽車中特殊的電氣和機械環境，對變壓器設計和工藝提出更嚴格的要求。平面變壓器已經在中檔轎車中使用。其次，寬帶傳輸應用的平面變壓器，也顯示了良好的發展前景。4平面變壓器的分類從變壓器在開關電源中所處的位置上看，平面變壓器可以分為獨立式和嵌入式平面變壓器。獨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成。精密的銅制引線框架或印制繞組使設計規格比線繞變壓器更精確地符合要求，器件間的重復性水平也得到提高。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成變壓器的磁路。該設計使其成為一個非常低剖面的變壓器組件。在平面設計中實現大的橫截面積銅導體使高功率密度和高電流的設計變得更加容易。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.開關電源上的平面變壓器

特別是在高工作頻率下，高轉換效率是平面變壓器的關鍵的優勢。在繞線變壓器中，效率被“趨膚效應”逆反影響，即當高頻電流通過圓柱形導體時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的導體橫截面積。從生產加工的角度來看，平面變壓器也優于線繞變壓器。繞線變壓器通常要求手工操作來剝去在繞線端的涂料，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上升裝配速度和重復性，從面減少成本。嵌入式變壓器利用DC/DC轉換器的電路板作為自己的繞組，它比獨立式平面變壓器占用空間更小。但它每一組輸入/輸出電壓都要設計不同的電路板，而且，關于嵌入式平面設計，因為蝕刻線圈要使用多層電路板，所以總體成本較高。一些混合設計利用主板作為初級繞線，然后用分離的小pCB作為次級來出現不同的輸出電壓。這種設計也很普遍。雖然嵌入式設計達到高功率密度并擁有良好的熱性能以實現空間節約的特性，但是關于許多應用，這些優點被成本、缺乏靈活性和可互換性所限制。不過高生產量將能在一定程度上抵銷嵌入式設計的較高成本。5平面變壓器設計5.1繞組間距選擇不同于其它結構和材料，平面變壓器沒有像傳統變壓器那樣很長的出現漏感的導線，而是利用銅箔與電路板間的緊密結合，使得在相鄰的匝數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，也就是傳統所說的渦流損耗。因此，能最有效地利用銅導體的表面導電性能，效率要比傳統變壓器高的多。但平面變壓器的特性并不全是優點。平面變壓器一、二次側繞組之間的間距較小，儲存磁能少，所以漏感也較小；但這樣卻使得一、二次側出現的寄生電容變大。另外，pCB繞組的可重現化特性卻是以增大鐵心繞線窗中絕緣材料的比例為代價，降低了銅填充系數，限制了線圈匝數?？梢酝ㄟ^調整繞組間的距離調整漏感的大小。下面兩個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。在間隙新增1mm的狀況下漏感值新增了五倍之多。因此在滿足電氣絕緣要的情況下，應該選用最細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結合的導線間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，絕緣材料的容性越高，將會是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。因此假如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平衡的選擇。5.2交叉技術交叉技術指的是指在布置變壓器原、副邊繞組的時候使得原邊繞組＆副邊繞組交替放置，新增原、副邊繞組的耦合，減小漏感，同時使得電流平均分布，減小變壓器損耗?，F在插入技術的研究被分為兩個方面：應用于變壓器的交叉（正激電路）和應用于連接電感器的交叉（反激電路）。因此交叉技術現在已經被放在不同的拓撲中作為不同的磁性部件來研究。應用于變壓器中的交叉技術[8]的重要優點顯示如下：

在變壓器中磁性能量儲存空間的減少，導致漏感的減少電流傳輸過程中在導體上的理想分布，導致交流阻抗的減少繞組間更好的耦合用途，更低的漏感

圖6.運用交叉技術的三種不同結構

為了說明交叉技術的特點，圖6顯示了三種應用了交叉技術的不同結構。p代表初級繞組，S代表次級繞組。三種結構運用了交叉技術，但顯示SpSp結構是最好的，因為初級和次級的繞組都是間隔交叉的。圖7中顯示了在500KHZ時，三種結構的交流阻抗和漏感值，通過比較可以很容易的發現在變壓器中應用了交叉技術后，交流阻抗和漏感值都有了很大的減少。C&DTechnologies公司已經將交叉技術應用在其WpA60雙輸出四分之一磚DC/DC轉換器上。如圖8所示。相關于標準的平面變壓器，這種變壓器供應了更高的功率。

圖8.C&DTechnologies公司ApA50/WpA60系列平面變壓器

此設計交錯了初級和次級繞線，以減少不合要的漏電感。一個直接的“三明治”式初級－次級－初級或次級－初級－次級能夠減少漏電感。高漏電感將導致不完整的耦合，損耗和瞬態電壓等缺陷.盡管采用交叉繞組具有顯著的優點，但仍有一些重點要考慮。例如，因為有較多的端子，初級和次級電路的隔離變得更加困難。而且，設計要求初級和次級之間EMI屏蔽，將會要求額外數量的屏蔽物。5.3平面變壓器設計步驟

平面變壓器的優點在前面已經論述了，但是這種結構的變壓器最重要的缺點就是設計的過程非常復雜，設計成本高。這里供應了一種標準的設計平面變壓器的程序步驟，這大大簡化了設計過程。它通過供應了一個標準的匝數設計，能夠被使用與不同的平面變壓器當中。

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相同的物理特性：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間的電氣連接點。假如有些層只有一匝，它也可以被印制在pCB的雙面來降低交流阻抗。因為使用銅箔來直接印在pCB板上來替代傳統的導線，這個特性使得即使在許多要很多匝數的開關電源中，變壓器依舊能保持一個很小的體積，這也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[6]、[7].銅箔高度按照對應于最大的開關頻率時的趨膚深度選取，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得影響。因此，應該使得每一種開關頻率對應于不同的銅箔的高度來的更加便利。

6結論很明顯，線繞變壓器已經越來越不適宜用于一些DC/DC變換器及其它應用中。其大體積、低效率和不能滿足制造重復性的困難意味著它們正快速的被新技術取代。平面變壓器在減小漏感、交流阻抗等方面有著非常大的優點，并且因為體積的小巧使之成為一種非常好的磁性元件。文獻[6]給出了一種標準的平面變壓器設計方法，使得設計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_關電源中有良好的應用前景，DC/DC轉換器設計者的選擇也將越來越多。

參考文獻[1]楊玉崗.現代電力電子的磁技術[M].北京：科學出版社，2003.[2]周志敏.開關電源實用技術設計與運用[M].北京：人民郵電出版社，2003.[3]胡躍全等。高頻低造型變壓器繞組的折疊式制作方法[J].電工技術雜志，1998.[4]李茜，郭玉英，魏東梅。平面變壓器的繞組設計與分析[A].我國自動化學會、我國儀器儀表學會2004年自動化與儀器儀表學術年會論文集，2004年[5]RobHill.變壓器設計與DC／DC轉換器技術同步發展[J].國際電子變壓器。2005年第4期[6]O.Garcia，J.A.Cobos，R.prieto，J.UcedaandS.Ollero.“AstandardDesignMethodforHighFrequencypCBTransformer”。IEEEINTELECRecord，1995.[7]I.W.Hofsajer，K.Fricker，andM.O.Crosato.“ReductionofEMIinplanartransformersbychargebalancing”ELECTRONICSLElTERS5thDecember2002Vol.38No.25[8]WeiChen，YipengYan，YuequanHu，andQingLu.“ModelandDesignofpCBparallelWindingforplanarTransformer”。IEEETRANSACTIONS，2003.[9]J-p.Schauwers，C.Nunes，B.Velaerts.“planartransformertechnologyappliedtoAC-DCconversion”。IEEEINTELECRecord，1999.