平面變壓器在開(kāi)關(guān)電源中的應(yīng)用

唐浩然

摘要：平面變壓器的體積較小，高度較低，結(jié)構(gòu)上具有較好的優(yōu)勢(shì)，也具備較好的重復(fù)性、準(zhǔn)確性、低漏感以及交流電阻較小等特點(diǎn)，而正因?yàn)槿绱?，平面變壓器在開(kāi)關(guān)電源中有著非常廣泛的應(yīng)用，關(guān)于其的研究也較多。本文即分析平面變壓器在開(kāi)關(guān)電源中應(yīng)用的技術(shù)優(yōu)越性。

關(guān)鍵字：開(kāi)關(guān)電源;平面電壓器;功率密度;較差繞組

1、前言

隨著電子信息技術(shù)的發(fā)展，各種各樣的電子設(shè)備出現(xiàn)在人們的視野當(dāng)中，而在電子設(shè)備升級(jí)換代的同時(shí)，平面變壓器因?yàn)槠鋬?yōu)秀的結(jié)構(gòu)性能而被廣泛的應(yīng)用于高頻率、高功率密度的開(kāi)關(guān)電源中，相比于其他的變壓器設(shè)備有著非常優(yōu)異的性能。本文即針對(duì)于平面變壓器進(jìn)行研究，探討其在開(kāi)關(guān)電源中的應(yīng)用。

2、平面變壓器的特性研究

2.1平面變壓器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

為了能夠讓熱溫升得到有效的控制，就需要變換器具備高效率和高表面積，從而達(dá)到最大限度的熱量傳遞，而扁平化封裝外殼則可以達(dá)到這一點(diǎn)。目前可以做到扁平封裝的只有平面變壓器，因?yàn)檫@種變壓器具備平面化的磁芯，體積較小，高度低，結(jié)構(gòu)上相較普通變壓器則更加緊湊。通過(guò)緊密的磁芯幾何形狀，平面變壓器能夠有效的控制熱點(diǎn)的產(chǎn)生，降低熱耗。并且平面變壓器在垂直方向上的尺寸大大減小，從而能夠包容更高的能量密度，其散熱能力也較好。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，平面變壓器具備效率高、功率大、絕緣性好的特點(diǎn)[1]。

2.2平面變壓器的優(yōu)勢(shì)

與傳統(tǒng)的變壓器相比，平面變壓器有其自身的優(yōu)勢(shì)。首先就是平面變壓器的單匝原邊繞組和單匝的副邊繞組耦合較緊，所以其漏感很小，在電源開(kāi)關(guān)的使用中也就避免了過(guò)大的損耗，減少在電路中其他的部件所承受的應(yīng)力。而平面變壓器的頻率特性也較好，一般可以工作在100-500kHz之間，且其貼近底板固定，具備非常好的散熱性能，不存在局部過(guò)熱點(diǎn)的問(wèn)題。其次是平面變壓器在熱耗散問(wèn)題方面的巨大優(yōu)勢(shì)使得其能夠具備高磁通密度和緊封裝來(lái)達(dá)到更高功率的密度，具備非常好的可靠性，即使有一處磁芯損壞了也能夠通過(guò)剩余的磁芯，變壓器的生產(chǎn)成本以及其價(jià)格都大幅度降低。

3、平面變壓器的類(lèi)型

目前平面變壓器在開(kāi)關(guān)電源中的應(yīng)用可以分為獨(dú)立式和嵌入式兩種情況。所謂獨(dú)立式平面變壓器就是一種利用平面鋼制引線(xiàn)框或者印制板的銅線(xiàn)為繞組而構(gòu)成的。獨(dú)立式平面變壓器是通過(guò)蝕刻銅制引線(xiàn)框架或者印制型繞組被堆疊在平面中，與高頻鐵氧體磁芯構(gòu)成變壓器的磁路，并且通過(guò)更加精細(xì)的銅制引線(xiàn)框架能夠更好的達(dá)到使用要求?？梢哉f(shuō)，無(wú)論是轉(zhuǎn)換效率還是生產(chǎn)加工，獨(dú)立式平面變壓器都要優(yōu)于線(xiàn)繞變壓器。嵌入式變壓器是通過(guò)DC-DC轉(zhuǎn)換器的電路板作為自己的繞組，相比于獨(dú)立式變壓器，其體積更小，但是卻需要針對(duì)于每一組輸入/輸出電壓設(shè)計(jì)不同的電路板，所以其加工成本要更高于獨(dú)立式變壓器，靈活性和可互換性也較為缺乏[2]。

4、平面變壓器在開(kāi)關(guān)電源中的應(yīng)用設(shè)計(jì)

4.1平面變壓器在開(kāi)關(guān)電源中的應(yīng)用設(shè)計(jì)原理

平面變壓器在開(kāi)關(guān)電源中的應(yīng)用設(shè)計(jì)原理包括三點(diǎn)，即分別是工作磁通密度B、變壓器的繞組結(jié)構(gòu)、PCB繞組溫升。在工作磁通密度層面，由于平面變壓器在高頻工作時(shí)會(huì)導(dǎo)致鐵氧體磁芯以及繞組的損耗，而這些損耗將會(huì)轉(zhuǎn)化為熱量進(jìn)而促使變壓器的溫度提高，所以溫升參數(shù)則顯得十分重要。通過(guò)研究可得，變壓器的溫升與工作磁通量相關(guān)，滿(mǎn)足一定的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式。在變壓器的繞組結(jié)構(gòu)層面，就是通過(guò)已經(jīng)得到的工作磁通量來(lái)達(dá)到對(duì)變壓器的參數(shù)、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、類(lèi)型、原邊和副邊繞組的匝數(shù)進(jìn)行確定。其參數(shù)包括輸出電流、PCB板的敷銅厚度等。最后則是PCB繞組溫升層面，也就是對(duì)PCB板上繞組的溫升進(jìn)行計(jì)算，進(jìn)而驗(yàn)證設(shè)計(jì)的合理性[3]。

4.2平面變壓器PCB繞組的設(shè)計(jì)

由于在平面變壓器的應(yīng)用中，主要顯現(xiàn)出來(lái)的缺點(diǎn)就在于其繞組設(shè)計(jì)的復(fù)雜性較高，這直接導(dǎo)致了繞組設(shè)計(jì)成本的提高，可以通過(guò)對(duì)PCB板的設(shè)計(jì)來(lái)簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)過(guò)程。通過(guò)雙面PCB板的設(shè)置，每一層都由一匝到多匝的繞組，并保持每一層都具備統(tǒng)一的物理特性，包括形狀以及外部連接點(diǎn)。而在多匝的層次中，這些外部連接點(diǎn)也就是不同匝數(shù)之間的電氣連接點(diǎn)。在一匝的層次中，通過(guò)將其印制在PCB的雙面來(lái)降低交流阻抗。設(shè)計(jì)中需要精確到每匝銅箔厚度，并保證PCB繞組與磁芯相互匹配，從而達(dá)到更好的開(kāi)關(guān)頻率效應(yīng)以及工藝精度，減小裝配的難度。

4.3繞組間距的選擇

平面變壓器的漏感值與繞組間有著非常緊密的聯(lián)系，所以為了能夠改變漏感的大小可以直接對(duì)繞組間的距離進(jìn)行改變。通過(guò)對(duì)各項(xiàng)研究數(shù)據(jù)的查閱和分析表明，繞組間的距離越大，漏感也就相應(yīng)的越大，而相反則體現(xiàn)出較小的漏感，且其變化的趨勢(shì)較為明顯。因此，對(duì)漏感的減小可以從繞組間距的選擇入手，并且要選用最薄的絕緣體來(lái)滿(mǎn)足電氣的絕緣需要。值得注意的是，繞組間的容性效應(yīng)不能夠被忽略，因?yàn)橛≈齐娐钒迳暇o密結(jié)合的導(dǎo)線(xiàn)向的容性效應(yīng)較為明顯，容易引起電磁干擾。為了達(dá)到最好的效果，還需要結(jié)合電容值和漏感兩個(gè)因素的考慮，作出平衡的選擇。

4.4繞組交叉布置

所謂繞組交叉布置，就是說(shuō)在對(duì)變壓器的原、副邊繞組的布置中，將原邊以及副邊繞組進(jìn)行交替放置，從而達(dá)到對(duì)原、副邊繞組的有效耦合。這種繞組交叉技術(shù)能夠有效的減小漏感，并促進(jìn)各層繞組之間的電流平均分布，從而減少變壓器的損耗。目前，對(duì)于繞組交叉技術(shù)有三種繞組結(jié)構(gòu)，即分別是次級(jí)繞組（以下簡(jiǎn)稱(chēng)次級(jí)）-初級(jí)繞組（以下簡(jiǎn)稱(chēng)初級(jí)）-次級(jí)-初級(jí)、初級(jí)-次級(jí)-次級(jí)-初級(jí)、次級(jí)-初級(jí)-初級(jí)-次級(jí)。這三種結(jié)構(gòu)都采用交叉技術(shù)，并且次級(jí)-初級(jí)-次級(jí)-初級(jí)這種間隔交叉技術(shù)更具耦合性，能夠達(dá)到最好的工作效果。在相同的頻率下，這種間隔交叉技術(shù)能夠達(dá)到更低的交流阻抗以及漏感值。可以說(shuō)，繞組交叉技術(shù)是目前最有效的一種繞組結(jié)構(gòu)。

5、平面變壓器在開(kāi)關(guān)電源中的發(fā)展趨勢(shì)

上述提到了關(guān)于平面變壓器在開(kāi)關(guān)電源中的應(yīng)用設(shè)計(jì)思路，可以說(shuō)自從開(kāi)關(guān)電源發(fā)明以來(lái)，對(duì)于平面變壓器的研究就已經(jīng)開(kāi)始了。時(shí)至今日，一些發(fā)達(dá)國(guó)家的研究單位早就已經(jīng)開(kāi)始了關(guān)于高頻開(kāi)關(guān)電源方面的研究，并且已經(jīng)得到了非常好的成果。比如說(shuō)加州理工大學(xué)提出了準(zhǔn)諧振開(kāi)關(guān)變壓器綜合與分析的方法，在理論層面具有非常好的代表性。而在實(shí)際應(yīng)用層面，目前許多國(guó)家已經(jīng)開(kāi)始實(shí)行了0.5-3MHz的高頻開(kāi)關(guān)電源，并有較大的普及，設(shè)定了在100W以下的開(kāi)關(guān)電源中的頻率標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)于我國(guó)來(lái)說(shuō)，因?yàn)槲覈?guó)在開(kāi)關(guān)電源平面變壓器方面的研究較少，在技術(shù)和理論層面還尚有欠缺，但是因?yàn)榻陙?lái)各高校和研究機(jī)構(gòu)對(duì)于科研力度的加大，我國(guó)在開(kāi)關(guān)電源理論方面有了非常大的突破，比如說(shuō)電子科技大學(xué)已經(jīng)在開(kāi)關(guān)電源的建模、仿真設(shè)計(jì)、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)等方面有了大量的研究，而受到磁性材料性能的限制，目前我國(guó)還存在有高頻化、輕型化、小型化和高可靠度方面的問(wèn)題，對(duì)于高頻變壓器方面的研究還需要加大力度，達(dá)到電子設(shè)備的升級(jí)換代[4]。

6、結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，平面變壓器的優(yōu)勢(shì)眾多，包括體積小、高度低、散熱好、制作準(zhǔn)確等，所以廣泛的應(yīng)用在了開(kāi)關(guān)電源上，并獲得了非常好的應(yīng)用效果。本文就是針對(duì)于平面變壓器進(jìn)行了概述，并對(duì)平面變壓器在開(kāi)關(guān)電源上的應(yīng)用進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，在文章的最后探討了國(guó)內(nèi)外關(guān)于平面變壓器在開(kāi)關(guān)電源中應(yīng)用的研究趨勢(shì)，希望能夠?qū)ο嚓P(guān)人員提供參考。

參考文獻(xiàn)

[1]趙映. 平面變壓器綜合優(yōu)化設(shè)計(jì)研究[D].華中科技大學(xué)，2016.

[2]時(shí)坤. 開(kāi)關(guān)電源變壓器的優(yōu)化設(shè)計(jì)及應(yīng)用[D].湖南大學(xué)，2013.

[3]梁琦，曾慶軒.開(kāi)關(guān)電源中的平面變壓器技術(shù)與應(yīng)用[J].科技導(dǎo)報(bào)，2007（16）：73-78.

[4]魏晨，謝運(yùn)祥，宋靜嫻.平面變壓器在開(kāi)關(guān)電源中應(yīng)用的優(yōu)越性分析[J].電源世界，2006（06）：35-38+48+58.