平面變壓器在開(kāi)關(guān)電源中的技術(shù)優(yōu)勢
磁性元件的設計是開(kāi)關(guān)電源的重要部分，因為平面變壓器在提高開(kāi)關(guān)電源的特性方面有著(zhù)很大的優(yōu)勢，因此近年來(lái)得到了廣泛的應用。對于一個(gè)理想的變壓器來(lái)說(shuō)，初級線(xiàn)圈所產(chǎn)生的磁通都穿過(guò)次級線(xiàn)圈，即沒(méi)有漏磁通。而對普通變壓器來(lái)說(shuō)，初級線(xiàn)圈所產(chǎn)生的磁通并非都穿過(guò)次級線(xiàn)圈，于是就產(chǎn)生了漏感，電磁耦合的緊密要求也無(wú)法滿(mǎn)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的漆包線(xiàn)，而是一片銅皮，貼繞在多個(gè)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(gè)數，而且平面變壓器的輸出電流可以通過(guò)并聯(lián)進(jìn)行擴充，以滿(mǎn)足設計的要求。因此，平面變壓器的特點(diǎn)就顯而易見(jiàn)了：平面繞組的緊密耦合使得漏感大大地減��；平面變壓器特殊的結構使得它的高度非常的低，這使變換器做在一個(gè)板上的設想得到實(shí)現。但是，平面結構存在很高的容性效應等問(wèn)題，大大限制了它的大規模使用，不過(guò)，這些缺點(diǎn)在某些應用中，也有可能轉換為一種優(yōu)點(diǎn)。另外，平面的磁芯結構增大了散熱面積，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(diǎn)主要集中在較低的漏感值和交流阻抗。繞組問(wèn)的間隙越大意味著(zhù)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合，使得在相鄰的匝數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(xiàn)或是直接用銅泊。扁平的幾何形狀降低了開(kāi)關(guān)頻率較高時(shí)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，效率要比傳統變壓器高得多。圖1給出了一個(gè)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(mǎn)足電氣絕緣的情況下，應該選用最薄的絕緣體來(lái)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(xiàn)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(zhù)非常大的影響，絕緣材料的介電常數越高，變壓器的容性值越高。而容性效應會(huì )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。為了驗證，筆者做了一個(gè)試驗，在銅導線(xiàn)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(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)折中的選擇。
2 插入技術(shù)
插入技術(shù)是指在布置變壓器原、副邊繞組時(shí)，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(shí)使得電流平均分布，減小變壓器損耗。
現在插入技術(shù)的研究被分為兩個(gè)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(shù)現在已經(jīng)被放在不同的拓撲中作為不同的磁性部件來(lái)研究。
2.1 應用于平面變壓器的插入技術(shù)
應用于變壓器中的插入技術(shù)的主要優(yōu)點(diǎn)如下：
1)使變壓器中磁性能量?jì)Υ娴目臻g減少，導致漏感的減少；
2)使電流傳輸過(guò)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(shuō)明插入技術(shù)的特征，圖4給出了應用3種不同插入技術(shù)的結構，P代表初級繞組，s代表次級繞組。試驗顯示SPSP結構是最好的，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(shí)，3種結構的交流阻抗和漏感值，通過(guò)比較可以很容易地發(fā)現應用了插入技術(shù)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構的優(yōu)勢
平面變壓器另一個(gè)重要的優(yōu)點(diǎn)是高度很低，這使得在磁芯上可以設置比較多的匝數。一個(gè)高功率密度的變換器需要一個(gè)體積比較小的磁性元件，平面變壓器很好地滿(mǎn)足了這一要求。例如，在多繞組的變壓器中需要非常多的匝數，如果是普通的變壓器將會(huì )造成體積和高度過(guò)大，影響電源的整體設計，而平面變壓器則不存在這一問(wèn)題。
另外，對于多繞組的變壓器來(lái)說(shuō)，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(huì )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(kāi)關(guān)管開(kāi)通的時(shí)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(gè)變壓器，而是兩個(gè)連接的電感器。在反激拓撲中的“變壓器”在主開(kāi)關(guān)管開(kāi)通的時(shí)候初級繞組儲存能量，而在關(guān)閉的時(shí)候將能量傳送到次級繞組。因此，這種插入技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)同上面相比是不同的。應用于這種變壓器的插入技術(shù)的特點(diǎn)如下：
1)在磁芯中儲存的能量沒(méi)有減少，因為電流在某時(shí)刻只能在一個(gè)繞組中流動(dòng)，并且沒(méi)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(méi)有減��；
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(diǎn)如上所述，同樣它也有缺點(diǎn)，其最主要的缺點(diǎn)就是設計的過(guò)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(guò)提供一個(gè)標準的匝數模型的設計，使之能夠被使用于不同的平面變壓器中，從而使得設計過(guò)程大大簡(jiǎn)化，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(zhù)一樣的物理特性：即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。使用銅箔直接印制在PCB板上來(lái)替代傳統的導線(xiàn)，即使在許多需要很多匝數的開(kāi)關(guān)電源中，變壓器依舊能保持一個(gè)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(gè)頂層的標準匝數設計的例子，它使用的是罐形(RM)磁芯。
銅箔高度按照對應于最大開(kāi)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，大大減少集膚效應的影響。因此，應該使每一種開(kāi)關(guān)頻率對應于不同的銅箔高度。
4 實(shí)驗論證
為了比較平面變壓器和傳統變壓器，分別做了兩種變壓器的模型，一種使用平面結構并使用了插入技術(shù)，另一種使用銅線(xiàn)分別在初級和次級繞制而成。兩種變壓器都被運用于一個(gè)互補控制的半橋變換器中。兩個(gè)變壓器的參數如下：
初級 12匝：
次級兩個(gè)l匝的繞組(1：1中心抽頭)。
傳統變壓器使用漆包線(xiàn)作為繞組，雖然在這些線(xiàn)圈中電流密度不盡相同，選擇電流密度小于7.5A／mm。
平面變壓器初級繞組做成4層，有4個(gè)并列的次級。這個(gè)變壓器的最終結構如圖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，結果列于表1。
由表1可知，平面變壓器的漏感僅為傳統變壓器的1／5，交流阻抗也僅為l／3，由此可見(jiàn)這將大大提高變換器的工作特性。而且，由于結構的更加緊湊，使得可以使用更小的RM8磁芯。
5 結語(yǔ)
平面變壓器在減小漏感、交流阻抗等方面有著(zhù)非常大的優(yōu)點(diǎn)，并且因為體積的小巧使之成為一種非常好的磁性元件。給出了一種標準的設計平面變壓器的方法，使得設計平面變壓器變得更加容易，成本也將大大降低�？梢灶A見(jiàn)，平面變壓器將有著(zhù)相當好的應用前景。
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