平面變壓器運(yùn)用

平面磁芯開發(fā)成功，可實(shí)現(xiàn)平面化的變壓器設(shè)計(jì)。由于平面變壓器要求磁芯、繞組是平面結(jié)構(gòu)，所以應(yīng)該采用多層PCB繞組。現(xiàn)在，已有許多公司開發(fā)出了平面變壓器，Pulse公司開發(fā)出了平面磁性元件，以色列佩頓公司 Payton已開發(fā)了Planetics平面變壓器，功率由5W到20KW、頻率自20KHz到2MHz，效率通?？蛇_(dá)98%，是電信、電焊機(jī)、計(jì)算機(jī)和外設(shè)、網(wǎng)絡(luò)、醫(yī)療電子、工業(yè)控制、安全系統(tǒng)和電子設(shè)備的理想選擇。

平面變壓器的特點(diǎn)是高頻，低造型，高度很小而工作頻率很高。

變壓器是電源中的一個(gè)關(guān)鍵元件。傳統(tǒng)的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。平面變壓器（Planar Transformer）可有效地解決體積及高頻問題。

平面變壓器與傳統(tǒng)的變壓器相比最大的區(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，繞組或銅片迭在平面的高頻鐵芯上構(gòu)成變壓器的磁回路。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。

平面變壓器的分類 ：平面變壓器按設(shè)計(jì)制作工藝的不同，可分為印刷電路(PCB)型，厚膜型、薄膜型、亞微米型 4 種。

平面變壓器與常規(guī)變壓器相比，磁芯尺寸大幅度縮小，特別是高度縮小最大。這一特色對(duì)電源設(shè)備中在空間受到嚴(yán)格限制的場(chǎng)合下具有相當(dāng)大的吸引力，從而可成為許多電源設(shè)備中首選的磁性元件。平面變壓器結(jié)構(gòu)上的優(yōu)勢(shì)，也為它的電氣特性帶來了許多優(yōu)點(diǎn)：功率密度高，效率高，漏感低，散熱性好，成本低等。

印刷電路 PCB(printed circuit board)型變壓器可省去繞組骨架，能增大散熱面積，能減小在高頻工作時(shí)由集膚效應(yīng)和鄰近效應(yīng)所引起的渦流損耗，也能增大電流密度，其電流密度最高可達(dá) 20A/mm，功率大，工藝簡單。但用 PCB，窗口利用率低，僅為0.25~0.3，傳統(tǒng)變壓器的窗口利用率為 0.4，其體積也較大。PCB 型變壓器其功率可高達(dá) 20kW ，頻率可達(dá)兆赫數(shù)量級(jí)。采用 pulse 的平面技術(shù)，多層 PCB 夾在磁芯之間，薄型高效鐵氧體平面變壓器，其底部面積小，高度只有7.4mm，工作頻率為 150~750kHz，工作溫度為-400~1300。

厚膜

厚膜變壓器是為了克服薄膜變壓器中導(dǎo)體電阻大的缺陷而提出的。以氧化鋁作基體，采用厚膜工藝，在其上、下表面各印制了初級(jí)和次級(jí)繞組，用鐵氧體制作的平面變壓器在 2MHz，輸出功率為 75W 時(shí)，效率達(dá) 85%。厚膜工藝制造出的平面變壓器效率一般較低，因此尋求更進(jìn)一步的工藝技術(shù)以完善平面變壓器制造的厚膜工藝是實(shí)現(xiàn)平面變壓器高頻集成化的關(guān)鍵。

薄膜型

薄膜型變壓器是一種用磁性薄膜研制的疊層微型變壓器，采用薄膜后高度低于 1mm，工作頻率超過 1MHz，其體積小，易于集成，但只適用于小功率情況。它們絕大多數(shù)采用金屬磁性材料，如坡莫合金、鐵硅鋁和非晶合金。主要是因?yàn)樗鼈冇懈?BS 和高磁導(dǎo)率。Tsuijimotl 等人用帶式(銅厚 35μm，長 34mm，寬 3mm)加以絕緣膜(厚 100μm)，非晶 CoNbZr 膜(1.8μm)構(gòu)成一種能在高頻下輸出電壓可控的薄膜變壓器——針孔型變壓器，還制成了厚度為 210μm的片式變壓器。它是采用兩層 10μm 厚的 CoZr 非晶薄膜做成的，用于 5V、0.3A、1MHz 的開關(guān)電源，77.5% 鐵氧體材料(以 MnZn系為主)也可以制成薄膜型變壓器，但用常規(guī)的方法很難制出合適的微型磁膜，故需開發(fā)新的成膜技術(shù)。目前國外主要采用 PVD、CVD 等沉積技術(shù)配合化學(xué)蝕刻，激光燒蝕法、光照射低溫鍍膜法等成膜技術(shù)。Yamaguchi K 等設(shè)計(jì)制作的微型變壓器，其面積只有2.4mm×3.1mm，在 10MHz 時(shí)效率可達(dá) 67%。

亞微米型

亞微米變壓器是利用化學(xué)法合成，采用低溫(900℃)燒結(jié)的 NiCuZn 鐵氧體為介質(zhì)材料，以 Ag 為內(nèi)電極，用流延和絲網(wǎng)印刷技術(shù)的方法制備而成的，其體積小、質(zhì)量輕、易于集成、工藝簡單。兩種片式亞微米型變壓器，外形尺寸分別為 2.1cm×2.1cm×1mm和 8mm×8mm×1mm，設(shè)計(jì)變壓比分別為 6 和 4，工作頻率為1~10MHz。 亞微米型平面變壓器結(jié)構(gòu)新穎，改變了傳統(tǒng)變壓器的結(jié)構(gòu)特征，將變壓器原邊和副邊繞組采用絲網(wǎng)印刷技術(shù)燒制在鐵氧體材料中，外型類似表貼的集成電路器件。對(duì)亞微米型平面變壓器的電氣性能測(cè)試表明：①空載情況下，變壓比先隨著輸入電壓的增加而增大，而后隨著輸入電壓的增加而減小，范圍內(nèi)達(dá)到最大值。另外，變壓比隨著輸入信號(hào)頻率的增加而增大。②在一定輸入頻率和電壓情況下，輸出功率隨負(fù)載的增大先升高再降低，存在一個(gè)輸出功率最大的負(fù)載電阻值。③在一定輸入電壓和輸出負(fù)載的情況下，隨著輸入電壓頻率的增加，變壓器的變壓比逐漸增大，當(dāng)輸入電壓頻率高于某一臨界值后，變壓比基本保持不變。波形畸變程度隨著輸入電壓頻率的增加而減小。④在一個(gè)固定輸入頻率下，存在一個(gè)飽和負(fù)載電阻值，當(dāng)負(fù)載電阻值小于飽和負(fù)載電阻值時(shí)，則變壓器的輸出電壓隨負(fù)載增大而增大，但當(dāng)負(fù)載電阻值大于飽和負(fù)載電阻值時(shí)，輸出電壓的變化很小或基本保持不變。隨著頻率的升高飽和負(fù)載電阻值逐漸增大。在負(fù)載電阻值等于飽和負(fù)載電阻值時(shí)，變壓器的變壓比基本不隨輸入電壓的變化而變化，但隨著輸入電壓的升高，輸入輸出電壓的波形畸變程度增強(qiáng)。

摘 要：

高功率密度是當(dāng)今開關(guān)電源發(fā)展的主要趨勢(shì)，要做到這一點(diǎn)，必須提高磁元件的功率密度平面變壓器因?yàn)樘厥獾钠矫娼Y(jié)構(gòu)和繞組的緊密耦合，使得高頻寄生參數(shù)大大降低，極大地改進(jìn)了開關(guān)電源的工作狀態(tài)，因此近年來得到了廣泛的使用研究了幾種不同的平面結(jié)構(gòu)和繞組制作的方式,介紹了設(shè)計(jì)平面變壓器的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)方法，從而使得設(shè)計(jì)過程變得更加簡單，大大降低了設(shè)計(jì)成本。最后，比較了平面變壓器和傳統(tǒng)變壓器的一些參數(shù)，并給出了設(shè)計(jì)方針.

關(guān)鍵詞：平面變壓器；漏感；插入技術(shù)

引言

磁性元件的設(shè)計(jì)是開關(guān)電源的重要部分，因?yàn)槠矫孀儔浩髟谔岣唛_關(guān)電源的特性方面有著很大的優(yōu)勢(shì)，因此近年來得到了廣泛的應(yīng)用。對(duì)于一個(gè)理想的變壓器來說，初級(jí)線圈所產(chǎn)生的磁通都穿過次級(jí)線圈，即沒有漏磁通。而對(duì)普通變壓器來說，初級(jí)線圈所產(chǎn)生的磁通并非都穿過次級(jí)線圈，于是就產(chǎn)生了漏感，電磁耦合的緊密要求也無法滿足。而平面變壓器只有一匝網(wǎng)狀次級(jí)繞組，這一匝繞組也不同于傳統(tǒng)的漆包線，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(shù)，而且平面變壓器的輸出電流可以通過并聯(lián)進(jìn)行擴(kuò)充，以滿足設(shè)計(jì)的要求。因此，平面變壓器的特點(diǎn)就顯而易見了：平面繞組的緊密耦合使得漏感大大地減小；平面變壓器特殊的結(jié)構(gòu)使得它的高度非常的低，這使變換器做在一個(gè)板上的設(shè)想得到實(shí)現(xiàn)。但是，平面結(jié)構(gòu)存在很高的容性效應(yīng)等問題，大大限制了它的大規(guī)模使用，不過，這些缺點(diǎn)在某些應(yīng)用中，也有可能轉(zhuǎn)換為一種優(yōu)點(diǎn)。另外，平面的磁芯結(jié)構(gòu)增大了散熱面積，有利于變壓器散熱。

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。繞組問的間隙越大意味著漏感越大，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(jié)合，使得在相鄰的匝數(shù)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(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)變壓器高得多。

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，在滿足電氣絕緣的情況下，應(yīng)該選用最薄的絕緣體來獲得最小的漏感值。

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繞制的導(dǎo)線使得容性效應(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，絕緣材料的介電常數(shù)越高，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。為了驗(yàn)證，筆者做了一個(gè)試驗(yàn)，在銅導(dǎo)線的間隙增加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。

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(xiàn)在插入技術(shù)的研究被分為兩個(gè)方面，即應(yīng)用于變壓器的插入(正激電路)和應(yīng)用于連接電感器的插入(反激電路)。因此，插入技術(shù)現(xiàn)在已經(jīng)被放在不同的拓?fù)渲凶鳛椴煌拇判圆考硌芯俊?

2.1 應(yīng)用于平面變壓器的插入技術(shù)

應(yīng)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儲(chǔ)存的空間減少，導(dǎo)致漏感的減少；

2)使電流傳輸過程中在導(dǎo)體上理想分布，導(dǎo)致交流阻抗的減少；

3)繞組間更好的耦合作用，導(dǎo)致更低的漏感。

為了說明插入技術(shù)的特征，應(yīng)用3種不同插入技術(shù)的結(jié)構(gòu)，P代表初級(jí)繞組，s代表次級(jí)繞組。試驗(yàn)顯示SPSP結(jié)構(gòu)是最好的，因?yàn)槌跫?jí)和次級(jí)的繞組都是間隔插人的。在500 kHz時(shí)，3種結(jié)構(gòu)的交流阻抗和漏感值，通過比較可以很容易地發(fā)現(xiàn)應(yīng)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。

多繞組變壓器中平面結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)

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(shè)置比較多的匝數(shù)。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(shù)，如果是普通的變壓器將會(huì)造成體積和高度過大，影響電源的整體設(shè)計(jì)，而平面變壓器則不存在這一問題。

另外，對(duì)于多繞組的變壓器來說，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(jí)電壓的誤差增大。而平面變壓器因?yàn)榫哂泻芎玫鸟詈?，使得它成為最佳的選擇。

在不同拓?fù)渲衅矫孀儔浩鞯淖饔?/p>

在不同的拓?fù)渲校判栽淖饔靡彩遣煌摹Ｔ谡ぷ儞Q器中的變壓器，磁性能量在主開關(guān)管開通的時(shí)候由初級(jí)繞組傳遞到次級(jí)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?fù)渲械摹白儔浩鳌痹谥鏖_關(guān)管開通的時(shí)候初級(jí)繞組儲(chǔ)存能量，而在關(guān)閉的時(shí)候?qū)⒛芰總魉偷酱渭?jí)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(yīng)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(chǔ)存的能量沒有減少，因?yàn)殡娏髟谀硶r(shí)刻只能在一個(gè)繞組中流動(dòng)，并且沒有電流補(bǔ)償；

2)電流的分布并不理想，原因同上，因此交流阻抗也沒有減?。?

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。

平面變壓器的標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)

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(shè)計(jì)的過程非常復(fù)雜，而且設(shè)計(jì)成本也非常高。

下面介紹一種標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)計(jì)平面變壓器的程序步驟[3];它通過提供一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的匝數(shù)模型的設(shè)計(jì)，使之能夠被使用于不同的平面變壓器中，從而使得設(shè)計(jì)過程大大簡化，費(fèi)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(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的雙面來降低交流阻抗。使用銅箔直接印制在PCB板上來替代傳統(tǒng)的導(dǎo)線，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，這便大大減小了整機(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)[3]。一個(gè)頂層的標(biāo)準(zhǔn)匝數(shù)設(shè)計(jì)的例子中，它使用的是罐形(RM)磁芯。

銅箔高度按照對(duì)應(yīng)于最大開關(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，大大減少集膚效應(yīng)的影響。因此，應(yīng)該使每一種開關(guān)頻率對(duì)應(yīng)于不同的銅箔高度。

實(shí)驗(yàn)論證

為了比較平面變壓器和傳統(tǒng)變壓器，分別做了兩種變壓器的模型，一種使用平面結(jié)構(gòu)并使用了插入技術(shù)，另一種使用銅線分別在初級(jí)和次級(jí)繞制而成。兩種變壓器都被運(yùn)用于一個(gè)互補(bǔ)控制的半橋變換器中。兩個(gè)變壓器的參數(shù)如下：

初級(jí) 12匝：

次級(jí)兩個(gè)l匝的繞組(1：1中心抽頭)。

傳統(tǒng)變壓器使用漆包線作為繞組，雖然在這些線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(jí)繞組做成4層，有4個(gè)并列的次級(jí)。

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(jié)果列于表1。

由表1可知，平面變壓器的漏感僅為傳統(tǒng)變壓器的1/5，交流阻抗也僅為l/3，由此可見這將大大提高變換器的工作特性。而且，由于結(jié)構(gòu)的更加緊湊，使得可以使用更小的RM8磁芯。

結(jié)語

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。給出了一種標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)計(jì)平面變壓器的方法，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?？梢灶A(yù)見，平面變壓器將有著相當(dāng)好的應(yīng)用前景。 解讀詞條背后的知識(shí)

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（1）高電流密度。平面變壓器的導(dǎo)線實(shí)際上是一些平面的導(dǎo)體，因而電流密度大。

（2）高效率。效率可達(dá)98%～99%。

（3）低漏感。約為初級(jí)電感的 0.2% 。

（4）熱傳導(dǎo)好。熱通道距離短，溫升低。

（5）低EMI輻射。良好的磁芯屏蔽可使輻射降到很低。

（6）體積小。采用了小型磁芯可相應(yīng)減小體積。

（7）參數(shù)可重復(fù)性好。因?yàn)槔@組結(jié)構(gòu)固定、容易預(yù)先加工，所以參數(shù)穩(wěn)定。

（8）工作頻率范圍寬。頻率可從50　kHz～ 2　MHz。

（9）工作溫度范圍寬。工作溫度為 -40　℃～ 130　℃。

（10）絕緣性好。平面變壓器由導(dǎo)電電路與絕緣片互相重疊構(gòu)成，從而保證繞組之間、初— 次級(jí)及次—次級(jí)間可達(dá)4 kV絕緣隔離。

(1)除了合理布局和控制電路采用了表面貼工藝來節(jié)省空間外，還采取了更有效的措施來避免傳統(tǒng)體積較大的高頻功率變壓器占用有限的空間。

(2) 工作環(huán)境溫度高。相對(duì)于其它整流模塊 -25　℃ ～ 50　℃ 的工作環(huán)境，

該模塊能工作在 -25　℃ ～ 70　℃ 的環(huán)境中，以滿足一些惡劣條件的需求。因此，正常工作時(shí)，模塊內(nèi)部溫升會(huì)更加高，要求變壓器能承受高溫。

(3) 該模塊的EMI、雜音等指標(biāo)要求高。要求有切實(shí)的措施來改進(jìn)這些方面。

(4) 模塊體積小，效率高，間接要求模塊的熱損耗小。

鑒于以上的幾點(diǎn)要求，結(jié)合平面變壓器的優(yōu)點(diǎn)，在變壓器設(shè)計(jì)方案中優(yōu)先考慮采用平面變壓器。在結(jié)構(gòu)體積很小的情況下，平面變壓器的電流密度高，漏抗小，非常適合低電壓大電流的開關(guān)電源。應(yīng)該注意的是，由于常規(guī)變壓器都是將圓柱形導(dǎo)線纏繞在鐵氧體磁芯上，高頻電流集中在導(dǎo)線表面的附近（趨膚效應(yīng)），會(huì)降低有效傳導(dǎo)性能。而在平面型變壓器里，其“繞組”是做在敷銅印制電路板上的扁平傳導(dǎo)導(dǎo)線。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。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)的高。

為幫助工程師們開發(fā)出有效、經(jīng)濟(jì)和最優(yōu)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，這本面向他(她)們的第三版提供了靜音變換器設(shè)計(jì)、旋轉(zhuǎn)變壓器設(shè)計(jì)、平面變壓器設(shè)計(jì)原則和平面變壓器結(jié)構(gòu)等新的內(nèi)容。本書涉及了用于輕質(zhì)量、高頻率航空航天變壓器和低頻率、工業(yè)用變壓器設(shè)計(jì)的全部關(guān)鍵元器件。

平面變壓器與傳統(tǒng)的變壓器相比主要有以下特點(diǎn)：

（1） 高電流密度。平面變壓器的導(dǎo)線實(shí)際上是一些平面的導(dǎo)體，因而電流密度大。

（2） 高效率。效率可達(dá)98%～99%。

（3） 低漏感。約為初級(jí)電感的0.2%。

（4） 熱傳導(dǎo)好。熱通道距離短，溫升低。

（5） 低EMI輻射。良好的磁芯屏蔽可使輻射降到很低。

（6） 體積小。采用了小型磁芯可相應(yīng)減小體積。

（7） 參數(shù)可重復(fù)性好。因?yàn)槔@組結(jié)構(gòu)固定、預(yù)先加工好，所以參數(shù)穩(wěn)定。

（8） 工作頻率范圍寬。頻率可從50　kHz～2　MHz。

（9） 工作溫度范圍寬。工作溫度為-40　℃～130　℃。

（10）絕緣性好。平面變壓器由導(dǎo)電電路與絕緣片互相重疊構(gòu)成，從而保證繞組之間、初— 次級(jí)及次—次級(jí)間可達(dá)4 kV絕緣隔離。