平面变压器在开关电源技术中的优势

    择要 高功率密度是当今开关电源生长的重要趋向,要做到这一点,一个重要的技能便是进步电源中磁元件的功率密度。平面变压器由于特别的平面布局和绕组的精密耦合,使得高频寄生参数得到了很大的低落,极大地革新了开关电源的事情表现,因此在近些年得到了遍及应用。 这篇文章研究了几种差别的平面布局和绕组制作的方法,并且他谈到了计划平面变压器的一个尺度方法,这将使得计划历程变得越发简朴,并且可以低落计划本钱。末了现实比力了平面变压器和传统变压器的一些参数,并给出了计划目标。

叙词:平面变压器  漏感  插入技能

1.弁言

 磁元件的计划是开关电源中重要的一个计划,由于平面变压器在进步开关电源的特性

方面有着很大的上风,因此在近些年得到了遍及应用。对付一个抱负的变压器来说,全部的磁路穿过次级线圈,即没有漏磁通。对平凡电器来说,并不是低级线圈中孕育发生的全部磁通都能穿过次级线圈。也便是说,低级线圈所孕育发生磁通并非穿过陪同次级线圈的全部绕线和导线。线圈或导线未耦合的部门就孕育发生了自感,并且该能量储存在“电感器”中,由于该“电感器”与重要功率传送电路无耦合,故不克不及完全满意在电源断电时对断绝度的要求。别的,为了得到更好的电磁兼容器。电磁耦合的精密要求也无法满意。而平面变压器只有一匝网状次级绕组, 这一匝绕组也差别于传统的漆包线,而是一片铜皮,贴绕在多个同样巨细的冲压铁氧化磁芯外貌上。以是,平面变压器的输出电压取决于磁芯的个数,并且平面变压的输出电流可以通过并联举行扩充,以满意计划的要求。因此平面部变压器的特点便是显而易见的了。起首由于平面绕组的精密耦合使得漏感大大的减小,别的一个非常重要的特性是由于平面变压器特别的布局使得他的高度非常低,这使得利用平面变压器做一个板上变更器的假想得到现实。别的,平面布局好存在很高的容性效应等题目,这些也都大大限定了平面变压器的大范围利用。但是这些缺点在某些应用当中,也大概转换为一种长处。别的,平面的磁芯布局增大了散热面积,有利于百年压器的散热。

    这篇论文对差别布局的平面变压器做了一些阐发,并对绕组的怎样计划都举行了讨论。一个尺度的计划平面变压器的步伐也被提出。这比那些传统利用PCB板变压器的做法来的越发容易,并且会大大节省本钱。

   研究重要包罗以下几点:

    ★平面变压器的特性研究;

★在差别的磁性部件中插入及散户的研究;

★ 体积的减小和在多绕组应用中平面变压器的特性;

★ 在差别的拓扑中平面变压器的利用特点。

2.平面变压器的特性研究

   如前面所讲到的,平面变压器的长处重要会合在较低的漏感值和交换阻抗。漏感是一个感到值,它是由于一部门不穿过主能量回路中活动的磁通所造成的。由于原副边线圈并不克不及完全耦合,以是漏感总是存在,那么就出现能量消耗了。绕组间越大的间隙就意味着越高的漏感,也便是更高的能量丧失。差别于别的布局和质料,平面变压器没有像传统变压器那样很长的孕育发生漏感的词导线,而是利用铜箔与电路板间的精密联合,使得在相邻的匝数层间的间隙非常的小,因此在此中的能量消耗也就很小。

平面变压器中的交换消耗也黑白常小的。而在平面变压器里,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箔。扁平的多少形状低落了开关频率较高时趋肤效应的消耗,也便是传统所说的涡流消耗。因此,最能有用地利用铜导体的外貌导电性能,服从要比传统变压器高的多。图2给出了一个平面变压器的剖面图,并且利用两层绕组间间隔的差别,而得到漏感和交换阻抗值在差别的匝数间隙下的数值。

 

两个图给出了在差别的间隙下漏感和交换阻抗的变革,可以显着的看出间隙越大,漏感越大,交换阻抗越小。在间隙增减1mm的状态下漏感值增长了5倍之多。因此在满意电断气缘必要的环境下,应该选用最细的绝缘体来得到最小的漏感值。

 

然而,容性效应在平面变压器中黑白常重要的,在印制电路板上精密联合的导线间使得容性效应非常的显着。并且绝缘质料的选取对容性值也有着非常大的影响。绝缘质料的容性越高,将会使变压器的容性值越高。而容性效应会引起EMI,由于从低级到次级的阻扰中只有容性回路的阻绕传播这种滋扰。为了验证,笔者做了一个试验,在铜导线的间隙增长0.2mm的环境下,电容值就增长了20%。因此,要是必要一个比力低的电容值,则必须在漏感和电容值之间作出一个均衡的选择。

 3.交织技能

  交织技能指的是,在低级和次级的条理的间隙中有充足的位置去安排低级绕组。如今插入技能的研究被分为两个方面:应用于变压器的交织(正激电路)和应用于毗连电感器的交织(反激电路)。因此交织技能如今已经被放在差别的拓扑中作为差别的磁性部件来研究。

3.1应用于平面变压器的交织技能

   应用于变压器中的交织技能的重要长处表现如下:

★ 在变压器中磁性能量储存空间的淘汰,导致漏感的淘汰。

★ 电传播输历程中,在导体上的抱负漫衍,导致交换阻抗的淘汰。

★ 阻绕间更好的藕互助用,导致更低的漏感。

为了阐明交织技能的特性,下图表现了三种应用了交织技能的差别布局。P代表低级绕组,S代表次级绕组。三种布局运用了交织技能,但是表现SPSP布局是最好的。由于低级和次级的绕组都是间隔交织的。图7和图8表现了在500KHZ时,三种布局的交换阻抗和漏感值,通过比力可以容易的发明,应用了交织技能的变压器中,交换阻抗和漏感值都有了很大的淘汰。

 

 

 


3.2形状特点和在多绕组变压器中平面布局的长处

  平面变压器别的一个重要的长处是高度很低,这使得在磁芯上可以设置比力多的匝数。一个非常高功率的变更器必要一个别积比力小的磁性元件,平面变压器很好地满意了如许的要求。比方在多绕组的变压器中必要非常多的匝数,要是是平凡的变压器将会造成体积和高度过大,会影响电源的团体计划,而平面变压器由于特别的布局特点,很好地办理了这一题目。

并且对付绕组的变压器来说,绕组间连结很好的藕合非常重要。在这些变压器中,要是漏感值很大的话,将会使得次级电压的偏差非常的大,而平面变压器由于很好的藕互助用,使得它成为很好的选择。

3.3

在差别的拓扑中,磁性部件的作用也是差别的.在正激变更器的变压器中,磁性能量在主开关管开通的时候由低级绕组通报到次级绕组中.然而,在反激变变更此中的“变压器”并不美满是一个变压器,而是两个毗连的电感器。在反激拓扑中的“变压器”在主开关管开通的时候,次级绕组储存能量,而在封闭的时候将能量传送到次级绕组。因此这种交织技能的长处同上面的相比是差别的。应用于这种变压器的交织技能的特点如下所示:

  ★ 在磁芯中储存的能量没有淘汰,由于电流在某时候只能在一个绕组中活动,并且没有电流赔偿。

  ★ 电流的漫衍并不抱负,缘故原由同上,因此交换阻饶也没有减小。

  ★ 交织使得绕组空间孕育发生较好的耦合,因此又比力小的漏感值。末了的实行参数将给出平面布局和非平面布局间漏感值的比力。

4.平面变压器计划

   平面变压器的长处在前面已经叙述了,但是这种布局的变压器追重要的缺点是计划的历程非常庞大,并且计划本钱也非常高。这里提供了一种尺度的计划平面变压器的步伐步调,这大大韵事了计划历程。它通过提供一个尺度的匝数计划,可以大概被利用于差别体积和匝数比要求的变压器当中。

这里先容一种尺度的计划平面变压器的方法,它通过计划了一个尺度的匝数模子,这将使得计划历程大大简化,并且用度也会大大低落。在双面PCB板的每一层都是由一到多匝的绕组构成的,并且全部的层面都连结着一样的物理特性:雷同的形状和雷同的外部毗连点。在有些多匝的条理中,这个外部毗连点是差别匝数间的电气毗连点。要是有些层只有一匝,它也可以被印制在PCB的双面来低落交换阻抗。由于利用铜箔来直接印在PCB板上来替换传统的导线,这个特性使得纵然砸在很多必要很多匝数的开关断垣中,变压器仍旧能连结一个很小的体积,这也大大减小了整机的体积。全部的涂层都有差别的形状,凭据电流密度尺度,一个涂层可以并联连结多层匝数。图5表现了一个顶层的尺度匝数计划的例子,它利用的是RM磁芯。
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每匝的铜箔高度的选择应该去对应最大的开关频率时得到的最佳效应,如允许以使铜箔的全部部门都成为电流畅路,如允许以大大淘汰积肤效应的影响。因此,应该使得每一种开关频率对应于差别的铜箔的高度来越发方便。

 


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