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高功率密度是當今開(kāi)關(guān)電源發(fā)展的主要趨勢，要做到這一點(diǎn)，一個(gè)重要的技術(shù)就是提高電源中磁元件的功率密度。平面變壓器因為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，極大地改進(jìn)了開(kāi)關(guān)電源的工作表現，因此在近些年得到了廣泛應用。 這篇文章研究了幾種不同的平面結構和繞組制作的方式，并且他談到了設計平面變壓器的一個(gè)標準方法，這將使得設計過(guò)程變得更加簡(jiǎn)單，而且可以降低設計成本。最后實(shí)際比較了平面變壓器和傳統變壓器的一些參數，并給出了設計方針。

敘詞：平面變壓器  漏感  插入技術(shù)

1.引言

 磁元件的設計是開(kāi)關(guān)電源中重要的一個(gè)設計，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，因此在近些年得到了廣泛應用。對于一個(gè)理想的變壓器來(lái)說(shuō)，所有的磁路穿過(guò)次級線(xiàn)圈，即沒(méi)有漏磁通。對普通電器來(lái)說(shuō)，并不是初級線(xiàn)圈中產(chǎn)生的所有磁通都能穿過(guò)次級線(xiàn)圈。也就是說(shuō)，初級線(xiàn)圈所產(chǎn)生磁通并非穿過(guò)伴隨次級線(xiàn)圈的所有繞線(xiàn)和導線(xiàn)。線(xiàn)圈或導線(xiàn)未耦合的部分就產(chǎn)生了自感，并且該能量?jì)Υ嬖凇半姼衅鳌敝�，由于該“電感器”與主要功率傳送電路無(wú)耦合，故不能完全滿(mǎn)足在電源斷電時(shí)對隔離度的要求。另外，為了得到更好的電磁兼容器。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化磁芯表面上。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。因此平面部變壓器的特點(diǎn)就是顯而易見(jiàn)的了。首先因為平面繞組的緊密耦合使得漏感大大的減小，另外一個(gè)非常重要的特征是因為平面變壓器特殊的結構使得他的高度非常低，這使得使用平面變壓器做一個(gè)板上變換器的設想得到現實(shí)。另外，平面結構好存在很高的容性效應等問(wèn)題，這些也都大大限制了平面變壓器的大規模使用。但是這些缺點(diǎn)在某些應用當中，也可能轉換為一種優(yōu)點(diǎn)。另外，平面的磁芯結構增大了散熱面積，有利于百年壓器的散熱。

    這篇論文對不同結構的平面變壓器做了一些分析，并對繞組的如何設計都進(jìn)行了討論。一個(gè)標準的設計平面變壓器的程序也被提出。這比那些傳統使用PCB板變壓器的做法來(lái)的更加容易，而且會(huì )大大節約成本。

   研究主要包括以下幾點(diǎn)：

    ★平面變壓器的特征研究；

★在不同的磁性部件中插入及散戶(hù)的研究；

★ 體積的減小和在多繞組應用中平面變壓器的特性；

★ 在不同的拓撲中平面變壓器的使用特點(diǎn)。

2．平面變壓器的特性研究

   如前面所講到的，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。漏感是一個(gè)感應值，它是因為一部分不穿過(guò)主能量回路中流動(dòng)的磁通所造成的。因為原副邊線(xiàn)圈并不能完全耦合，所以漏感總是存在，那么就出現能量損耗了。繞組間越大的間隙就意味著(zhù)越高的漏感，也就是更高的能量損失。不同于別的結構和材料，平面變壓器沒(méi)有像傳統變壓器那樣很長(cháng)的產(chǎn)生漏感的詞導線(xiàn)，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，因此在其中的能量耗損也就很小。

平面變壓器中的交流損耗也是非常小的。而在平面變壓器里，其繞組是做在印制電路板上的扁平傳導導線(xiàn)或是直接用銅箔。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，也就是傳統所說(shuō)的渦流損耗。因此，最能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。圖2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，而獲得漏感和交流阻抗值在不同的匝數間隙下的數值。

兩個(gè)圖給出了在不同的間隙下漏感和交流阻抗的變化，可以明顯的看出間隙越大，漏感越大，交流阻抗越小。在間隙增減1ｍｍ的狀況下漏感值增加了５倍之多。因此在滿(mǎn)足電氣絕緣需要的情況下，應該選用最細的絕緣體來(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結合的導線(xiàn)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(zhù)非常大的影響。絕緣材料的容性越高，將會(huì )使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阻擾中只有容性回路的阻繞傳播這種干擾。為了驗證，筆者做了一個(gè)試驗，在銅導線(xiàn)的間隙增加0.2mm的情況下，電容值就增加了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作出一個(gè)平衡的選擇。

 3．交叉技術(shù)

  交叉技術(shù)指的是，在初級和次級的層次的間隙中有足夠的位置去放置初級繞組�，F在插入技術(shù)的研究被分為兩個(gè)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(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。

3．1應用于平面變壓器的交叉技術(shù)

   應用于變壓器中的交叉技術(shù)的主要優(yōu)點(diǎn)顯示如下：

★ 在變壓器中磁性能量?jì)Υ婵臻g的減少，導致漏感的減少。

★ 電流傳輸過(guò)程中，在導體上的理想分布，導致交流阻抗的減少。

★ 阻繞間更好的藕合作用，導致更低的漏感。

為了說(shuō)明交叉技術(shù)的特征，下圖顯示了三種應用了交叉技術(shù)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(shù)，但是顯示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和圖8顯示了在500KHZ時(shí)，三種結構的交流阻抗和漏感值，通過(guò)比較可以容易的發(fā)現，應用了交叉技術(shù)的變壓器中，交流阻抗和漏感值都有了很大的減少。

3．2外形特點(diǎn)和在多繞組變壓器中平面結構的優(yōu)點(diǎn)

  平面變壓器另外一個(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)非常高功率的變換器需要一個(gè)體積比較小的磁性元件，平面變壓器很好地滿(mǎn)足了這樣的要求。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，會(huì )影響電源的整體設計，而平面變壓器因為特殊的結構特點(diǎn)，很好地解決了這一問(wèn)題。

并且對于繞組的變壓器來(lái)說(shuō)，繞組間保持很好的藕合非常重要。在這些變壓器中，如果漏感值很大的話(huà)，將會(huì )使得次級電壓的誤差非常的大，而平面變壓器因為很好的藕合作用，使得它成為很好的選擇。

3．３

在不同的拓撲中，磁性部件的作用也是不同的．在正激變換器的變壓器中，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，在反激變變換其中的“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，次級繞組儲存能量，而在關(guān)閉的時(shí)刻將能量傳送到次級繞組。因此這種交叉技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)同上面的相比是不同的。應用于這種變壓器的交叉技術(shù)的特點(diǎn)如下所示：

  ★ 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。

  ★ 電流的分布并不理想，原因同上，因此交流阻饒也沒(méi)有減小。

  ★ 交叉使得繞組空間產(chǎn)生較好的耦合，因此又比較小的漏感值。最后的實(shí)驗參數將給出平面結構和非平面結構間漏感值的比較。

4．平面變壓器設計

   平面變壓器的優(yōu)點(diǎn)在前面已經(jīng)論述了，但是這種結構的變壓器追主要的缺點(diǎn)是設計的過(guò)程非常復雜，而且設計成本也非常高。這里提供了一種標準的設計平面變壓器的程序步驟，這大大佳話(huà)了設計過(guò)程。它通過(guò)提供一個(gè)標準的匝數設計，能夠被使用于不同體積和匝數比要求的變壓器當中。

這里介紹一種標準的設計平面變壓器的方法，它通過(guò)設計了一個(gè)標準的匝數模型，這將使得設計過(guò)程大大簡(jiǎn)化，而且費用也會(huì )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，而且所有的層面都保持著(zhù)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。因為使用銅箔來(lái)直接印在PCB板上來(lái)替代傳統的導線(xiàn)，這個(gè)特性使得即使砸在許多需要很多匝數的開(kāi)關(guān)斷垣中，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的體積。所有的涂層都有不同的形狀，根據電流密度標準，一個(gè)涂層可以并聯(lián)保持多層匝數。圖5顯示了一個(gè)頂層的標準匝數設計的例子，它使用的是RM磁芯。