论平面变压器在开关电源中的技术优势

高功率密度是当今开关电源发展的主要趋势,要做到这一点,一个重要的技术就是提高电源中磁元件的功率密度。平面变压器因为特殊的平面结构和绕组的紧密耦合,使得高频寄生参数得到了很大的降低,极大地改进了开关电源的工作表现,因此在近些年得到了广泛应用。 这篇文章研究了几种不同的平面结构和绕组制作的方式,并且他谈到了设计平面变压器的一个标准方法,这将使得设计过程变得更加简单,而且可以降低设计成本。最后实际比较了平面变压器和传统变压器的一些参数,并给出了设计方针。

叙词:平面变压器  漏感  插入技术

1.引言

 磁元件的设计是开关电源中重要的一个设计,因为平面变压器在提高开关电源的特性

方面有着很大的优势,因此在近些年得到了广泛应用。对于一个理想的变压器来说,所有的磁路穿过次级线圈,即没有漏磁通。对普通电器来说,并不是初级线圈中产生的所有磁通都能穿过次级线圈。也就是说,初级线圈所产生磁通并非穿过伴随次级线圈的所有绕线和导线。线圈或导线未耦合的部分就产生了自感,并且该能量储存在“电感器”中,由于该“电感器”与主要功率传送电路无耦合,故不能完全满足在电源断电时对隔离度的要求。另外,为了得到更好的电磁兼容器。电磁耦合的紧密要求也无法满足。而平面变压器只有一匝网状次级绕组, 这一匝绕组也不同于传统的漆包线,而是一片铜皮,贴绕在多个同样大小的冲压铁氧化磁芯表面上。所以,平面变压器的输出电压取决于磁芯的个数,而且平面变压的输出电流可以通过并联进行扩充,以满足设计的要求。因此平面部变压器的特点就是显而易见的了。首先因为平面绕组的紧密耦合使得漏感大大的减小,另外一个非常重要的特征是因为平面变压器特殊的结构使得他的高度非常低,这使得使用平面变压器做一个板上变换器的设想得到现实。另外,平面结构好存在很高的容性效应等问题,这些也都大大限制了平面变压器的大规模使用。但是这些缺点在某些应用当中,也可能转换为一种优点。另外,平面的磁芯结构增大了散热面积,有利于百年压器的散热。

    这篇论文对不同结构的平面变压器做了一些分析,并对绕组的如何设计都进行了讨论。一个标准的设计平面变压器的程序也被提出。这比那些传统使用PCB板变压器的做法来的更加容易,而且会大大节约成本。

   研究主要包括以下几点:

    ★平面变压器的特征研究;

★在不同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;

★ 在不同的拓扑中平面变压器的使用特点。

2.平面变压器的特性研究

   如前面所讲到的,平面变压器的优点主要集中在较低的漏感值和交流阻抗。漏感是一个感应值,它是因为一部分不穿过主能量回路中流动的磁通所造成的。因为原副边线圈并不能完全耦合,所以漏感总是存在,那么就出现能量损耗了。绕组间越大的间隙就意味着越高的漏感,也就是更高的能量损失。不同于别的结构和材料,平面变压器没有像传统变压器那样很长的产生漏感的词导线,而是利用铜箔与电路板间的紧密结合,使得在相邻的匝数层间的间隙非常的小,因此在其中的能量耗损也就很小。

平面变压器中的交流损耗也是非常小的。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。扁平的几何形状降低了开关频率较高时趋肤效应的损耗,也就是传统所说的涡流损耗。因此,最能有效地利用铜导体的表面导电性能,效率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距离的不同,而获得漏感和交流阻抗值在不同的匝数间隙下的数值。


两个图给出了在不同的间隙下漏感和交流阻抗的变化,可以明显的看出间隙越大,漏感越大,交流阻抗越小。在间隙增减1mm的状况下漏感值增加了5倍之多。因此在满足电气绝缘需要的情况下,应该选用最细的绝缘体来获得最小的漏感值。


然而,容性效应在平面变压器中是非常重要的,在印制电路板上紧密结合的导线间使得容性效应非常的明显。而且绝缘材料的选取对容性值也有着非常大的影响。绝缘材料的容性越高,将会使变压器的容性值越高。而容性效应会引起EMI,因为从初级到次级的阻扰中只有容性回路的阻绕传播这种干扰。为了验证,笔者做了一个试验,在铜导线的间隙增加0.2mm的情况下,电容值就增加了20%。因此,如果需要一个比较低的电容值,则必须在漏感和电容值之间作出一个平衡的选择。


 3.交叉技术

  交叉技术指的是,在初级和次级的层次的间隙中有足够的位置去放置初级绕组。现在插入技术的研究被分为两个方面:应用于变压器的交叉(正激电路)和应用于连接电感器的交叉(反激电路)。因此交叉技术现在已经被放在不同的拓扑中作为不同的磁性部件来研究。

3.1应用于平面变压器的交叉技术

   应用于变压器中的交叉技术的主要优点显示如下:

★ 在变压器中磁性能量储存空间的减少,导致漏感的减少。

★ 电流传输过程中,在导体上的理想分布,导致交流阻抗的减少。

★ 阻绕间更好的藕合作用,导致更低的漏感。

为了说明交叉技术的特征,下图显示了三种应用了交叉技术的不同结构。P代表初级绕组,S代表次级绕组。三种结构运用了交叉技术,但是显示SPSP结构是最好的。因为初级和次级的绕组都是间隔交叉的。图7和图8显示了在500KHZ时,三种结构的交流阻抗和漏感值,通过比较可以容易的发现,应用了交叉技术的变压器中,交流阻抗和漏感值都有了很大的减少。

3.2外形特点和在多绕组变压器中平面结构的优点

  平面变压器另外一个重要的优点是高度很低,这使得在磁芯上可以设置比较多的匝数。一个非常高功率的变换器需要一个体积比较小的磁性元件,平面变压器很好地满足了这样的要求。例如在多绕组的变压器中需要非常多的匝数,如果是普通的变压器将会造成体积和高度过大,会影响电源的整体设计,而平面变压器因为特殊的结构特点,很好地解决了这一问题。

并且对于绕组的变压器来说,绕组间保持很好的藕合非常重要。在这些变压器中,如果漏感值很大的话,将会使得次级电压的误差非常的大,而平面变压器因为很好的藕合作用,使得它成为很好的选择。

3.3

在不同的拓扑中,磁性部件的作用也是不同的.在正激变换器的变压器中,磁性能量在主开关管开通的时候由初级绕组传递到次级绕组中.然而,在反激变变换其中的“变压器”并不完全是一个变压器,而是两个连接的电感器。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,而在关闭的时刻将能量传送到次级绕组。因此这种交叉技术的优点同上面的相比是不同的。应用于这种变压器的交叉技术的特点如下所示:

  ★ 在磁芯中储存的能量没有减少,因为电流在某时刻只能在一个绕组中流动,并且没有电流补偿。

  ★ 电流的分布并不理想,原因同上,因此交流阻饶也没有减小。

  ★ 交叉使得绕组空间产生较好的耦合,因此又比较小的漏感值。最后的实验参数将给出平面结构和非平面结构间漏感值的比较。

4.平面变压器设计

   平面变压器的优点在前面已经论述了,但是这种结构的变压器追主要的缺点是设计的过程非常复杂,而且设计成本也非常高。这里提供了一种标准的设计平面变压器的程序步骤,这大大佳话了设计过程。它通过提供一个标准的匝数设计,能够被使用于不同体积和匝数比要求的变压器当中。

这里介绍一种标准的设计平面变压器的方法,它通过设计了一个标准的匝数模型,这将使得设计过程大大简化,而且费用也会大大降低。在双面PCB板的每一层都是由一到多匝的绕组组成的,而且所有的层面都保持着一样的物理特性:相同的形状和相同的外部连接点。在有些多匝的层次中,这个外部连接点是不同匝数间的电气连接点。如果有些层只有一匝,它也可以被印制在PCB的双面来降低交流阻抗。因为使用铜箔来直接印在PCB板上来替代传统的导线,这个特性使得即使砸在许多需要很多匝数的开关断垣中,变压器依旧能保持一个很小的体积,这也大大减小了整机的体积。所有的涂层都有不同的形状,根据电流密度标准,一个涂层可以并联保持多层匝数。图5显示了一个顶层的标准匝数设计的例子,它使用的是RM磁芯。

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,这样可以使铜箔的所有部分都成为电流通路,这样可以大大减少积肤效应的影响。因此,应该使得每一种开关频率对应于不同的铜箔的高度来更加便利。

5.实验论证

     为了比较平面变压器和传统变压器的区别,于是分别做了两种变压器的模型。一种使用平面结构并使用了交叉技术;另一种使用铜线在初级和次级绕制而成。两种变压器都将被运用于一个互补控制的半桥变换器中。两个变换器的参数显示如下:

     初级:12匝

     次级:两个1匝的绕组(1:1中心抽头)

     传统变压器使用铜线为800*0.07,虽然在这些线圈中电流密度不尽相同,但是所有部分都被选择满足电流密度小于7.5mm2

插入部分:平面变压器初级绕组做成四层,有四个并列的次级。为了满足插入技术的条件,这些次级被认为是非独立的,因为它们不可能在同一时刻作用(因为变压器被运用

于半桥互补控制电路当中)。这个变压器的最终结构显示于下图。

     两种变压器的比较:为了论证两种变压器的不同,比较了漏感、交流阻抗和占用的面积。两种变压器都使用了同样的磁芯RM10比较如下表所示:

平面变压器

传统变压器

漏感

510

2480

交流阻抗

122

380

占用窗口面积(%

30

75

     由上表可知,平面变压器的漏感仅为传统变压器的五分之一,交流阻抗也仅为三分之一,由此可见,这将大大提高变换器的工作表现。而且,由于结构的更加紧凑,使得可以使用更小的RM8。由这种比较,可以看出平面变压器有着相当好的应用前景。

6.结语

   平面变压器在减小漏感、交流阻抗等方面有着非常大的优点,并且因为体积的小巧,

使之成为了一种非常好的磁性元件。给出了一种标准的设计平面变压器的方法,使得设计平面变压器变得更加容易,成本也将大大降低。


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