1.引言
高頻、高功率密度的電源變換模塊在電力電子設(shè)備中得到廣泛的應(yīng)用和發(fā)展。要提高變換器的功率密度，關(guān)鍵是降低磁性元件的體積和重量。一方面，從傳統(tǒng)的電工磁理論考慮，對(duì)于一定的線圈窗口面積和鐵芯橫截面積，對(duì)最優(yōu)結(jié)構(gòu)，要求線圈回路和鐵芯回路的長度最短，以減小鐵芯總體積和線圈的平均長度；另一方面，從熱設(shè)計(jì)理論考慮，最大化地增加磁性元件的散熱表面積，且使從磁件熱點(diǎn)到磁件表面積的熱阻降低，從而提高功率密度。
變壓器結(jié)構(gòu)正經(jīng)歷三次更新?lián)Q代。第一次是平面變壓器，體積和重量比立體變壓器(普通變壓器)減少80%，已形成從5W至20KW，20KHZ至2MHZ的產(chǎn)品，效率典型值為98%。第二次是片式變壓器，對(duì)低壓大電流特別適用，高度(厚度)更進(jìn)一步降低，電流可達(dá)100安以上，采用一個(gè)次級(jí)繞組多個(gè)磁芯組成，代替以前的一個(gè)磁芯多個(gè)繞組。多個(gè)磁芯的初級(jí)繞組串聯(lián)，從而達(dá)到降壓隔離的要求。內(nèi)部溫升比平面變壓器低，只有10℃左右?？梢匝b在額定溫升更高的基板上工作。第三次是薄膜變壓器，采用薄膜后高度低于1mm。工作頻率超過1MHZ，達(dá)到10~100MHZ。由于采用集成電路工藝制造，成本并不增加。是直流開關(guān)電源變壓器的最新發(fā)展方向。之所以強(qiáng)調(diào)"正經(jīng)歷"，是因?yàn)樵诂F(xiàn)階段，不同的應(yīng)用范圍和市場，從性能價(jià)格比出發(fā)，要求的變壓器結(jié)構(gòu)形式也不一樣。立體變壓器仍然大量使用。平面變壓器已形成系列，正在推廣。片式變壓器處于個(gè)別和小批量生產(chǎn)階段。薄膜變壓器只是個(gè)別情況，仍處于研究開發(fā)階段。
由此可見，鐵氧體平面變壓器將在未來的功率變換模塊中發(fā)揮極為重要的作用，特別在較大功率模塊中起的作用顯得更為突出。
2.結(jié)構(gòu)原理
平面變壓器通常有2個(gè)或2個(gè)以上大小一樣的柱狀磁芯?，F(xiàn)以2個(gè)磁芯的平面變壓器為例介紹其結(jié)構(gòu)，如圖1所示。每個(gè)磁芯柱在對(duì)角線上的兩角都用銅皮連接，銅皮在通過磁芯柱時(shí)緊貼磁芯內(nèi)壁。兩個(gè)磁芯并排放置，相鄰的兩角用銅皮焊接起來，在一個(gè)磁芯的一個(gè)外側(cè)面上的兩個(gè)角上的銅皮用一片銅皮焊接在一起，這就是平面變壓器次級(jí)線圈的中心，如果在這里引出抽頭，就是次級(jí)線圈的中心抽頭；在另一個(gè)磁芯的外側(cè)面上的兩個(gè)角上的銅皮就是平面變壓器次級(jí)線圈的兩端。這樣就基本構(gòu)成一個(gè)平面變壓器的主體部分。它的次級(jí)線圈只有一匝，而且可以帶有中心抽頭。一個(gè)完整的平面變壓器還有一個(gè)預(yù)置的儲(chǔ)能電感，它的一端常接在中心抽頭上，上、下各有一片固定銅板，它們將磁芯和濾波電感夾在中間，同時(shí)作為整流電源的兩極和散熱板。
由此可見，平面變壓器是由銅質(zhì)引線框和扁平的連續(xù)銅質(zhì)螺旋線構(gòu)成，代替了在常規(guī)鐵氧體鐵芯上繞制的磁性銅線，該螺旋線是在敷有銅箔的介質(zhì)材料薄片上蝕刻而成，然后把他們疊積在扁平的高頻鐵氧體鐵芯上，構(gòu)成變壓器磁路。然后，鐵芯材料用小粒徑環(huán)氧樹脂粘合，以便使鐵芯損耗最小，螺旋線疊層內(nèi)的耐高溫（130）絕緣材料確保了繞組之間的高度絕緣。
2.1 制造方式
2.1.1 繞線式
這種繞組方式與常規(guī)變壓器的繞組方式一樣，適合于高頻、高壓變壓器的制造。
2.1.2 箔式
箔式繞組折疊式平面變壓器首先采用銅箔作繞組，再折疊成多層線圈，線圈采用高頻絞線繞制。用這種方法適合制作低電壓、大電流平面變壓器，其漏感很低。
2.1.3 多層印制電路板式
這種方式是采用印制板的制造工藝技術(shù)，用精密的薄銅片或若干蝕刻在絕緣薄片上的平面銅繞組在多層板上形成螺旋式線圈。它特別適合于制作高頻、高壓的中、小功率平面變壓器。
2.2 特性
比較了常規(guī)變壓器、壓電陶瓷變壓器和平面變壓器的特性。下面就平面變壓器的物理特性和電氣特性分別說明[1]。
2.3 物理特性
平面變壓器具有尺寸小的特色，通常在0.325英寸到0.750英寸之間，這對(duì)電源內(nèi)部空間受到嚴(yán)格限制的場合具有相當(dāng)大的吸引力。
平面變壓器印制電路板結(jié)構(gòu)意指著一旦把電路板元件設(shè)定為平面器件，那么繼后生產(chǎn)過程中的變壓器繞組相互應(yīng)具有精確的相同間距。因此允許用自動(dòng)組裝設(shè)備生產(chǎn)，可以大大提高每個(gè)器件的重復(fù)一致性、可靠性，避免了常規(guī)變壓器手工繞制帶來的不規(guī)則性和不穩(wěn)定性。
總之，平面變壓器由于多層制造過程采用機(jī)械加工而具有好的一致性；由于繞組的幾何形狀及其有關(guān)寄生特性限定在PCB制造公差之內(nèi)而具有可重現(xiàn)性；由于能量密度高，適用于表面貼裝方式組裝而具有小型化特性。此外，平面變壓器的性能一致性和可預(yù)測性使它們具有建模比常規(guī)變壓器更簡易的優(yōu)點(diǎn)，這尤其適于用計(jì)算機(jī)輔助工程工具建模（如SPICE）。
2.4 電氣特性
渦流效應(yīng)是由鄰近導(dǎo)體的交替磁場引起的邊緣電流效應(yīng)，趨膚效應(yīng)就是當(dāng)感應(yīng)電流如感應(yīng)磁場在圓導(dǎo)線中產(chǎn)生的電流，它們會(huì)集中在導(dǎo)線的外表面的一種現(xiàn)象，尤其是在較高頻率下，渦流效應(yīng)和趨膚效應(yīng)尤為明顯。結(jié)果導(dǎo)致總的載流面積小于整個(gè)導(dǎo)線面積，使AC阻抗大于DC阻抗，降低了有效傳導(dǎo)性能，從而使得常規(guī)變壓器中繞在鐵氧體鐵芯上的圓導(dǎo)線繞組的利用率得不到充分利用。然而，平面變壓器的繞組是蝕刻在印制電路板上的銅箔層，雖然由于趨膚效應(yīng)使得電流集中于銅箔層的外表層，但因?yàn)殂~箔層較薄，所以電流實(shí)際上幾乎流經(jīng)了整個(gè)導(dǎo)線，較之常規(guī)變壓器能夠獲得較高的效率和更小的體積。當(dāng)變壓器工作頻率高于300KHz時(shí)，銅箔層的厚度等于趨膚厚度就足夠了，這樣還可以避免雜散電流引起的額外損耗。
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平面變壓器結(jié)構(gòu)使寄生電抗（繞組間電容和漏感）最小，通常為初級(jí)電感的0.5%以下。低漏感是通過分離措施實(shí)現(xiàn)的，就是把初級(jí)繞組一部分置于疊層的頂部，另一部置于疊層的底部，然后在疊層兩邊均勻地夾入次級(jí)繞組。平面變壓器低的雜散電容和漏感很有利于降低變壓器輸出電壓的高頻瞬時(shí)擾動(dòng)。采用在介質(zhì)片上疊積導(dǎo)電電路，這種結(jié)構(gòu)還能使平面變壓器的初級(jí)與次級(jí)和次級(jí)與次級(jí)之間達(dá)到很好的電絕緣，該變壓器能適用寬范圍的輸入電壓，并能按要求給出一個(gè)、二個(gè)或三個(gè)輸出，它們也能滿足或優(yōu)于脫機(jī)轉(zhuǎn)換器的性能要求。
總之，平面變壓器由于其扁平繞組而具有高頻率（1MHz）、高效率（98%～99%）、低損耗、低漏感等電氣特性；由于導(dǎo)電電路與絕緣片相重迭構(gòu)成，而具有好的絕緣性（初級(jí)到次級(jí)間可達(dá)4KV絕緣隔離）。此外，平面變壓器還具有寬的工作溫度范圍(-40~130)，高電流密度（每層繞組最大電流可達(dá)200A）和功率大（單個(gè)器件功率可達(dá)5～25KW）等優(yōu)點(diǎn)。
3. 應(yīng)注意的幾點(diǎn)
3.1 并聯(lián)繞組問題
如今，平面變壓器在低壓大電流，超薄型DC/DC模塊中得到廣泛應(yīng)用。隨著輸出電壓越來越低，而輸出電流越來越高，常采用并聯(lián)多層結(jié)構(gòu)來減小繞組損耗。但是，在并聯(lián)繞組層中存在著電流分布不平衡現(xiàn)象[2]，導(dǎo)致并聯(lián)繞組層的效果大大減弱。引起這種不平衡電流均流的主要原因是并聯(lián)層形成的回路的漏磁通，而漏磁通又依賴于繞組分布和并聯(lián)層間的空間距離。
影響電流均流的因素有：（1）頻率：頻率越高，每并聯(lián)層的不平衡電流越大，導(dǎo)致大的環(huán)流，從而增加了交流繞組損耗；（2）繞組分布：繞組分布不但影響交流阻抗和變壓器漏電感，而且也大大影響并聯(lián)層間的電流均流。使用對(duì)稱隔層插入繞組的方法（P-S-S-P-P-S-S-P）可以讓原邊和二次繞組的并聯(lián)層均流，大大減小了交流阻抗，從而降低了交流損耗。與不對(duì)稱隔層插入繞組的方法（P-S-P-S-P-S-P-S）相比，在一定頻率范圍內(nèi)，交流損耗要低，而該臨界頻率依賴于銅片厚度和繞組分布；（3）并聯(lián)層空間距離：減小空間距離能顯著降低漏磁通的數(shù)量，但也不可避免地增大了繞組的寄生電容和原次邊繞組間的盤繞電容。因此，并聯(lián)層空間距離應(yīng)折衷選擇。
總之，影響電流均流和交流繞組損耗的主要因素有工作頻率，繞組分布和絕緣體厚度三個(gè)方面。一般地，次邊繞組夾在原邊繞組的分布方法能有效地平衡電流均流，從而減小交流阻抗。但對(duì)稱隔層插入繞組的方法在臨界頻率內(nèi)能非常有效地解決電流均流不平衡現(xiàn)象。
3.2 鐵芯的最小化設(shè)計(jì)問題
3.2.1 磁芯損耗模型
變壓器的鐵損主要由磁滯和渦流效應(yīng)導(dǎo)致，磁滯損耗一般認(rèn)為是由磁材料的磁疇運(yùn)動(dòng)及摩擦而導(dǎo)致的。磁滯損耗與頻率成正比，而渦流損耗與頻率的平方成正比。單位體積的磁損耗功率密度為：
其中k為損耗系數(shù)，B為磁感應(yīng)強(qiáng)度峰－峰值，f為磁場交變頻率，k、m、n與磁材料的特性有關(guān)，可從磁材料供應(yīng)商給出的損耗曲線得出。
3.2.2 繞組損耗模型
在高頻應(yīng)用時(shí)，為了減少銅損和提高電流容量，繞組導(dǎo)體通常采用扁平狀銅片，而且每層只有一圈導(dǎo)體，這樣可使電流沿導(dǎo)體的寬度方向分布，減少由于趨膚效應(yīng)所導(dǎo)致的損耗，另外也有利于減少變壓器的整體高度。如果忽略各層導(dǎo)體連接點(diǎn)的影響，對(duì)于匝數(shù)為N的繞組，其直流電阻為：
其中tw，dw分別是導(dǎo)體厚度和繞組與磁芯之間的間隙。
由于高頻效應(yīng)，繞組的電阻會(huì)有明顯增大，繞組的交流電阻可表示為：RΩ=FrRd，其中Fr為交流與直流電阻之比，它與磁芯及繞組的幾何尺寸和布置有關(guān)?；贒owell關(guān)于變壓器繞組交流電阻的計(jì)算模型[3]，可知在原負(fù)邊繞組分開布置時(shí)其值為：
其中：δ為頻率為f時(shí)的趨膚厚度，N為從零漏磁場處開始算起的繞組層數(shù)。
當(dāng)變壓器用于開關(guān)電源中時(shí)，流過繞組的電流波形并不是正弦波，含有高次諧波，因而僅僅考慮基波的影響是不夠的。合適的做法應(yīng)是先求得電流波形的諧波分量，然后分別求得對(duì)應(yīng)的電流諧波分量的繞組損耗。
對(duì)于周期性變化的繞組電流，其繞組總損耗模型為：
其中 分別為繞組電流的n次諧波分量的有效值和頻率為 時(shí)繞組的交流電阻。
3.2.3 鐵芯的最小化設(shè)計(jì)[4]
最小磁芯體積的數(shù)學(xué)模型為：
其中： 分別為磁芯的有效體積，磁材料的飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度和額定的變壓器效率， 分別為磁芯的有效截面積和磁路長度。
3.3 成本
如何降低成本，應(yīng)從以下幾個(gè)方面考慮：
● 設(shè)計(jì)：采用的原材料、結(jié)構(gòu)形式對(duì)成本有決定性作用。
● 工藝：盡量采用工模具和機(jī)械加工。
● 減少生產(chǎn)的附加費(fèi)用：包括設(shè)計(jì)選用的原材料和配件盡可能通用，減少種類和降低庫存量，以及盡快縮短交貨時(shí)間。
3.4 使用原則
平面變壓器的使用主要有以下三個(gè)原則：
● 根據(jù)輸出電壓的大小來選用相應(yīng)型號(hào)的平面變壓器；
● 根據(jù)輸出電流的大小來確定并聯(lián)的平面變壓器個(gè)數(shù)；
● 根據(jù)輸入輸出電壓的大小來確定變比和原邊線圈的匝數(shù)。
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此外，實(shí)際應(yīng)用中還需要知道平面變壓器的變比，變比也可用下面公式進(jìn)行計(jì)算：
其中，K是系數(shù)，當(dāng)平面變壓器的輸出是通過中心抽頭時(shí)，K＝0.5；當(dāng)平面變壓器沒有中心抽頭時(shí)，K＝1。N是并聯(lián)的平面變壓器單元個(gè)數(shù)；P是平面變壓器的原邊匝數(shù)。
4. 應(yīng)用
平面變壓器從問世到現(xiàn)在短短的10多年間已經(jīng)在通信、筆記本計(jì)算機(jī)、汽車電子、數(shù)碼相機(jī)和數(shù)字化電視等方面得到了廣泛的應(yīng)用。如采用平面變壓器制成的5～60W功率范圍的DC-DC變換器，已應(yīng)用于電信系統(tǒng)插卡式板上電源。由于汽車中特殊的電氣和機(jī)械環(huán)境，對(duì)變壓器設(shè)計(jì)和工藝提出更嚴(yán)格的要求。平面變壓器應(yīng)用于氙弧燈鎮(zhèn)流器的DC-DC變換器，已經(jīng)在中檔轎車中使用。其次，寬帶傳輸應(yīng)用的平面變壓器，也顯示了良好的發(fā)展前景。除此以外，平面變壓器的產(chǎn)品品種已涉及到常規(guī)的鐵氧體磁芯變壓器的各個(gè)方面，如功率變壓器、帶寬變壓器和阻抗匹配變換器等。由于其一致性好、體積小等特性使其特別適用于在內(nèi)部空間小，對(duì)節(jié)能和散熱要求苛刻的電子設(shè)備中使用。在國防、航空、航天等對(duì)重量和穩(wěn)定性要求極高的領(lǐng)域，平面變壓器的應(yīng)用也將會(huì)給系統(tǒng)的小型化開拓一個(gè)嶄新的局面。
總之，小型化、平面化的電感鐵氧體元件將更加引起人們應(yīng)用的興趣，相信在某些高技術(shù)領(lǐng)域里，平面變壓器將很快取代傳統(tǒng)變壓器，并逐步實(shí)現(xiàn)規(guī)?；a(chǎn)。
5. 總結(jié)
微型變壓器的發(fā)展是當(dāng)今電子、信息技術(shù)的需求，變壓器的微型化是變壓器技術(shù)發(fā)展的必然趨勢(shì)。就目前來看，以鐵氧體為磁芯的平面變壓器體積小，功率密度大，是現(xiàn)在微型變壓器的主流。以微制造技術(shù)的薄膜變壓器正處于研制階段，實(shí)際中推廣應(yīng)用，還是個(gè)別事例。隨著電子技術(shù)的飛速發(fā)展，鐵氧體平面變壓器仍將在較大功率的模塊電源中發(fā)揮主要作用。
（轉(zhuǎn)載）
