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平面变压器在开关电源中应用的优越性分析
时间:2014-05-27 关注度:4114次 信息来源:诺维信

1 引言 
  近年来,随着电力电子技术的发展和成熟,人们逐渐认识到磁性元件不仅是电源中的功能元件,同时其体积、重量、损耗在整机中也占相当比例。据统计,磁性元件的重量一般是变换器总重量的30%~40%,体积占总体积的20%~30%,对于模块化设计的高频电源,磁性元件的体积、重量所占的比例还会更高。另外,磁性元件还是影响电源输出动态性能和输出纹波的一个重要因素。因此,要提高开关电源的功率密度、效率和输出品质,关键是提高其中磁元件的功率密度,降低磁性元件的体积和重量。平面变压器因为其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,极大改进了开关电源的工作表现。因此,近年来其在开关电源领域得到了广泛的应用。本文综述了近年来发展的平面变压器技术,与传统变压器进行比较,分析了平面变压器在当今开关电源发展应用的优势和前景。 

2 平面变压器的结构 
  变压器是电源中的一个关键元件。传统的绕线变压器通常由铁氧体磁芯及铜线圈构成,体积庞大而且容易产生电磁干扰。而平面变压器与传统的绕线变压器最大的区别在于铁芯及线圈绕组。平面变压器采用小尺寸的E型、RM 型或环型铁氧体磁芯,通常是由高频功率铁氧体材料制成,在高频下有较低的磁芯损耗;绕组采用多层印刷电路板迭绕而成,然后迭放在平面的高频磁芯上构成变压器的磁回路。图1中表示出了一种典型的多层板平面变压器结构。这种设计有低的直流铜阻、低的漏感和分布电容,可满足谐振电路的设计要求。而且由于磁芯良好的磁屏蔽,可抑制射频干扰。并且平面变压器原边绕组的匝数通常也只有数匝,不仅有效降低了铜损和分布电容、电抗,而且为绕制带来了很多便利。由于磁芯是用简单的冲压件组合而成的,性能的一致性大大提高,也为大批量生产降低了成本。从而有效地解决体积及高频问题,为电源变换器的轻型化、小型化提供了可能。


  市面上的平面变压器铁心有带夹槽和无夹槽两种。带夹槽铁心通过厂家提供的夹板来固定;无夹槽铁心之间的固定采用树脂胶合的方式。采用带夹槽铁心的变压器适用于高温升场合,且比较牢固,如图2a所示;无夹槽铁心制成的变压器高度比带夹槽的变压器要低一些。设计者可按实际情况选择铁心。若选择无夹槽铁心,注意树脂不可粘在两块铁心的结合面,这样铁心之间会存在气隙,应把树脂粘在铁心的外侧,如图2b所示。

图2. 两种平面变压器铁心的结合方式

3 平面变压器的优势及发展现状 
  平面变压器与传统变绕线压器相比具有许多的优点: 
   1)体积小,剖面低。由于平面变压器采用了铁氧体磁芯,缩小了变压器的体积,一般高度均小于20mm. 
   2)高功率密度。由于平面变压器结构上的优势,提高了其电气特性,使其比传统变压器的功率密度高3倍。 
   3)高电压、高电流。在平面变压器中,导线实际是一些平面导体,因而电流密度大,每层绕组最大电流可达200A,次级升压可达20kV以上。 
   4)大功率。单个器件功率可达0.5kW~ 25kW. 
   5)高效率。可达到98%~99%。 
   6)低漏感。约为初级电感的0.2%左右。 
   7)工作频率范围宽。其频率范围为50kHz~2MHz. 
   8)工作温度范围宽。-40℃~130℃。 
   9)因有固定的及预先加工好的绕组结构,参数稳定可重复特性好。 
   10)散热好。热通道距离短,温升低,散热面积大,热传导效果好。 
   11)低EMI辐射。因具有高效磁芯屏蔽,从而可抑制射频干扰。
   12)高绝缘性。绕组之间、初-次级及次-次级间具有高绝缘性,初-次级间绝缘隔离可达4kV. 
   13)组装性能好。 

  将现有的三种类型的变压器(常规变压器、压电陶瓷变压器和平面变压器)的性能进行比较,见表 1:

  鉴于平面变压器的上述种种技术参数上的优越性,它可以广泛应用在笔记本电脑、数码相机、数字化电视、通信电源、汽车电子等领域。一只200W的低高度平面变压器仅1 4mm高 ,比传统的高频产品体积小,重量也轻了许多。由于其寄生电抗极小。即绕组间电容和漏电感极小。故效率高达97% ,最高工作频率为2MHz.漏抗小于0.2% .目前国外的微型电子变压器的发展较快,已经生产出5mm×5mm×5mm的微型变压器和厚薄仅为0.2mm的平面变压器,我国少数外资企业已经有此类封装微型电子变压器,而国内企业尚待开发。由于汽车中特殊的电气和机械环境,对变压器设计和工艺提出更严格的要求。平面变压器已经在中档轿车中使用。其次,宽带传输应用的平面变压器,也显示了良好的发展前景。 

4 平面变压器的分类 
  从变压器在开关电源中所处的位置上看,平面变压器可以分为独立式和嵌入式平面变压器。 

  独立式平面变压器是利用平面铜制引线框架或印制板的铜线为绕阻而构成。精密的铜制引线框架或印制绕组使设计规格比线绕变压器更精确地符合要求,器件间的重复性水平也得到提高。 

  蚀刻铜制引线框架或印制型绕阻被堆叠在平面中,与高频铁氧体磁芯构成变压器的磁路。该设计使其成为一个非常低剖面的变压器组件。在平面设计中实现大的横截面积铜导体使高功率密度和高电流的设计变得更加容易。平面绕组和铁氧体的高表面容量比使平面变压器具有良好散热功能。

图3. 开关电源上的平面变压器

  特别是在高工作频率下,高转换效率是平面变压器的关键的优势。在绕线变压器中,效率被“趋肤效应”逆反影响,即当高频电流通过圆柱形导体时迫使电子由中部流向边缘集中在铜线表面,从而减少了电流通过的导体横截面积。 

  从生产加工的角度来看,平面变压器也优于线绕变压器。绕线变压器通常要求手工操作来剥去在绕线端的涂料,然后再焊锡。而在平面变压器上的压制或蚀刻铜片的引出端常常能形成表面贴装终端以便于增长装配速度和重复性,从面减少成本。 

  嵌入式变压器利用DC/DC转换器的电路板作为自己的绕组,它比独立式平面变压器占用空间更小。但它每一组输入/输出电压都需要设计不同的电路板,而且,对于嵌入式平面设计,因为蚀刻线圈需要使用多层电路板,所以总体成本较高。一些混合设计利用主板作为初级绕线,然后用分离的小PCB作为次级来产生不同的输出电压。这种设计也很普遍。 

  虽然嵌入式设计达到高功率密度并拥有良好的热性能以实现空间节约的特性,但是对于许多应用,这些优点被成本、缺乏灵活性和可互换性所限制。不过高生产量将能在一定程度上抵销嵌入式设计的较高成本。 

5 平面变压器设计 
5.1绕组间距选择
 
  不同于其它结构和材料,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,因此在其中的能量损耗也就很小了。在平面型变压器里,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泊。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,能最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。但平面变压器的特性并不全是优点。平面变压器一、二次侧绕组之间的间距较小,储存磁能少,所以漏感也较小;但这样却使得一、二次侧产生的寄生电容变大。另外,PCB绕组的可重现化特性却是以增大铁心绕线窗中绝缘材料的比例为代价,降低了铜填充系数,限制了线圈匝数。可以通过调整绕组间的距离调整漏感的大小。 

  下面两个表给出了在不同的绕组间距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。在间隙增加1mm的状况下漏感值增加了五倍之多。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,将会是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绕组中只有容性回路的绕组传播这种干扰。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做出一个平衡的选择。 

5.2交叉技术 
  交叉技术指的是指在布置变压器原、副边绕组的时候使得原边绕组&副边绕组交替放置,增加原、副边绕组的耦合,减小漏感,同时使得电流平均分布,减小变压器损耗。 
  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。 

  应用于变压器中的交叉技术[8]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
  • 绕组间更好的耦合作用,更低的漏感

图6.运用交叉技术的三种不同结构

  为了说明交叉技术的特征,图6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中显示了在500KHZ时,三种结构的交流阻抗和漏感值,通过比较可以很容易的发现在变压器中应用了交叉技术后,交流阻抗和漏感值都有了很大的减少。

C&D Technologies公司已经将交叉技术应用在其WPA60双输出四分之一砖DC/DC转换器上。如图8所示。相对于标准的平面变压器,这种变压器提供了更高的功率。

图8. C&D Technologies公司APA50/WPA60系列平面变压器

  此设计交错了初级和次级绕线,以减少不合需要的漏电感。一个直接的“三明治”式初级-次级-初级或次级-初级-次级能够减少漏电感。高漏电感将导致不完整的耦合,损耗和瞬态电压等缺陷 . 
  尽管采用交叉绕组具有显著的优点,但仍有一些重点需要考虑。例如,因为有较多的端子,初级和次级电路的隔离变得更加困难。而且,设计要求初级和次级之间EMI 屏蔽,将会要求额外数量的屏蔽物。 

5.3 平面变压器设计步骤

     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最主要的缺点就是设计的过程非常复杂,设计成本高。这里提供了一种标准的设计平面变压器的程序步骤,这大大简化了设计过程。它通过提供了一个标准的匝数设计,能够被使用与不同的平面变压器当中。

     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,这个特性使得即使在许多需要很多匝数的开关电源中,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。具体的设计步奏和注意事项请参阅文献[6]、[7].铜箔高度按照对应于最大的开关频率时的趋肤深度选取,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得影响。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的更加便利。

6 结论
     很明显,线绕变压器已经越来越不适宜用于一些DC/DC变换器及其它应用中。其大体积、低效率和不能满足制造重复性的困难意味着它们正快速的被新技术取代。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一种非常好的磁性元件。文献[6]给出了一种标准的平面变压器设计方法,使得设计平面变压器变得更加容易,成本也将大大降低。可以看出平面变压器在开关电源中有良好的应用前景,DC/DC转换器设计者的选择也将越来越多。

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