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平面變壓器在開關(guān)電源中的技術(shù)優(yōu)勢
高功率密度是當今開關(guān)電源發(fā)展的主要趨勢，要做到這一點，必須提高磁元件的功率密度平面變壓器因為特殊的平面結(jié)構(gòu)和繞組的緊密耦合，使得高頻寄生參數(shù)大大降低，極大地改進了開關(guān)電源的工作狀態(tài)，因此近年來得到了廣泛的使用研究了幾種不同的平面結(jié)構(gòu)和繞組制作的方式,介紹了設計平面變壓器的一個標準方法，從而使得設計過程變得更加簡單，大大降低了設計成本。zui后，比較了平面變壓器和傳統(tǒng)變壓器的一些參數(shù)，并給出了設計方針.
關(guān)鍵詞：平面變壓器；漏感；插入技術(shù)
0 引言
磁性元件的設計是開關(guān)電源的重要部分，因為平面變壓器在提高開關(guān)電源的特性方面有著很大的優(yōu)勢，因此近年來得到了廣泛的應用。對于一個理想的變壓器來說，初級線圈所產(chǎn)生的磁通都穿過次級線圈，即沒有漏磁通。而對普通變壓器來說，初級線圈所產(chǎn)生的磁通并非都穿過次級線圈，于是就產(chǎn)生了漏感，電磁耦合的緊密要求也無法滿足。而平面變壓器只有一匝網(wǎng)狀次級繞組，這一匝繞組也不同于傳統(tǒng)的漆包線，而是一片銅皮，貼繞在多個同樣大小的沖壓鐵氧體磁芯表面上。所以，平面變壓器的輸出電壓取決于磁芯的個數(shù)，而且平面變壓器的輸出電流可以通過并聯(lián)進行擴充，以滿足設計的要求。因此，平面變壓器的特點就顯而易見了：平面繞組的緊密耦合使得漏感大大地減??；平面變壓器特殊的結(jié)構(gòu)使得它的高度非常的低，這使變換器做在一個板上的設想得到實現(xiàn)。但是，平面結(jié)構(gòu)存在很高的容性效應等問題，大大限制了它的大規(guī)模使用，不過，這些缺點在某些應用中，也有可能轉(zhuǎn)換為一種優(yōu)點。另外，平面的磁芯結(jié)構(gòu)增大了散熱面積，有利于變壓器散熱。
1 平面變壓器的特性研究
如前所述，平面變壓器的優(yōu)點主要集中在較低的漏感值和交流阻抗。繞組問的間隙越大意味著漏感越大，也就產(chǎn)生更高的能量損失。平面變壓器利用銅箔與電路板間的緊密結(jié)合，使得在相鄰的匝數(shù)層間的間隙非常的小，因此能量損耗也就很小了。
在平面型變壓器里，其“繞組”是做在印制電路板上的扁平傳導導線或是直接用銅泊。扁平的幾何形狀降低了開關(guān)頻率較高時趨膚效應的損耗，也就是渦流損耗。因此，能zui有效地利用銅導體的表面導電性能，效率要比傳統(tǒng)變壓器高得多。圖1給出了一個平面變壓器的剖面圖，并且利用兩層繞組間距離的不同，而獲得在不同間隙下的漏感和交流阻抗值。
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圖2與圖3給出了在不同的間隙下漏感和交流阻抗的變化，可以明顯地看出間隙越大，漏感越大，交流阻抗越小。在間隙增加1mm的狀況下漏感值增加了5倍之多。因此，在滿足電氣絕緣的情況下，應該選用zui薄的絕緣體來獲得zui小的漏感值。
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然而，容性效應在平面變壓器中是非常重要的，在印制電路板上緊密繞制的導線使得容性效應非常的明顯。而且絕緣材料的選取對容性值也有著非常大的影響，絕緣材料的介電常數(shù)越高，變壓器的容性值越高。而容性效應會引起EMI，因為從初級到次級的繞組中只有容性回路的繞組傳播這種干擾。為了驗證，筆者做了一個試驗，在銅導線的間隙增加O．2mm的情況下，而電容值就減少了20％。因此，如果需要一個比較低的電容值，則必須在漏感和電容值之間做出一個折中的選擇。
2 插入技術(shù)
插入技術(shù)是指在布置變壓器原、副邊繞組時，使原邊繞組與副邊繞組交替放置，增加原、副邊繞組的耦合以減小漏感，同時使得電流平均分布，減小變壓器損耗。
現(xiàn)在插入技術(shù)的研究被分為兩個方面，即應用于變壓器的插入(正激電路)和應用于連接電感器的插入(反激電路)。因此，插入技術(shù)現(xiàn)在已經(jīng)被放在不同的拓撲中作為不同的磁性部件來研究。
2.1 應用于平面變壓器的插入技術(shù)
應用于變壓器中的插入技術(shù)的主要優(yōu)點如下：
1)使變壓器中磁性能量儲存的空間減少，導致漏感的減少；
2)使電流傳輸過程中在導體上理想分布，導致交流阻抗的減少；
3)繞組間更好的耦合作用，導致更低的漏感。
為了說明插入技術(shù)的特征，圖4給出了應用3種不同插入技術(shù)的結(jié)構(gòu)，P代表初級繞組，s代表次級繞組。試驗顯示SPSP結(jié)構(gòu)是的，因為初級和次級的繞組都是間隔插人的。圖5顯示了在500 kHz時，3種結(jié)構(gòu)的交流阻抗和漏感值，通過比較可以很容易地發(fā)現(xiàn)應用了插入技術(shù)的變壓器，交流阻抗和漏感值都有了很大的減少。
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2．2 多繞組變壓器中平面結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢
平面變壓器另一個重要的優(yōu)點是高度很低，這使得在磁芯上可以設置比較多的匝數(shù)。一個高功率密度的變換器需要一個體積比較小的磁性元件，平面變壓器很好地滿足了這一要求。例如，在多繞組的變壓器中需要非常多的匝數(shù)，如果是普通的變壓器將會造成體積和高度過大，影響電源的整體設計，而平面變壓器則不存在這一問題。
另外，對于多繞組的變壓器來說，繞組間保持很好的耦合非常重要。如果耦合不理想則漏感值增大，將會使得次級電壓的誤差增大。而平面變壓器因為具有很好的耦合，使得它成為*的選擇。
2．3 在不同拓撲中平面變壓器的作用
在不同的拓撲中，磁性元件的作用也是不同的。在正激變換器中的變壓器，磁性能量在主開關(guān)管開通的時候由初級繞組傳遞到次級繞組中。然而，在反激變換器中的“變壓器”并不*是一個變壓器，而是兩個連接的電感器。在反激拓撲中的“變壓器”在主開關(guān)管開通的時候初級繞組儲存能量，而在關(guān)閉的時候?qū)⒛芰總魉偷酱渭壚@組。因此，這種插入技術(shù)的優(yōu)點同上面相比是不同的。應用于這種變壓器的插入技術(shù)的特點如下：
1)在磁芯中儲存的能量沒有減少，因為電流在某時刻只能在一個繞組中流動，并且沒有電流補償；
2)電流的分布并不理想，原因同上，因此交流阻抗也沒有減?。?nbsp;
3)插入使得繞組間產(chǎn)生較好的耦合，因此有比較小的漏感值。
3 平面變壓器的標準化設計
平面變壓器的優(yōu)點如上所述，同樣它也有缺點，其zui主要的缺點就是設計的過程非常復雜，而且設計成本也非常高。
下面介紹一種標準的設計平面變壓器的程序步驟[3];它通過提供一個標準的匝數(shù)模型的設計，使之能夠被使用于不同的平面變壓器中，從而使得設計過程大大簡化，費用大大降低。
在雙面PCB板的每一層都是由一到多匝的繞組組成的，而且所有的層都保持著一樣的物理特性：即相同的形狀和相同的外部連接點。在有些多匝的層次中，這個外部連接點是不同匝數(shù)間的電氣連接點。如果有些層只有一匝，它也可以被印制在PCB的雙面來降低交流阻抗。使用銅箔直接印制在PCB板上來替代傳統(tǒng)的導線，即使在許多需要很多匝數(shù)的開關(guān)電源中，變壓器依舊能保持一個很小的體積，這便大大減小了整機的體積。具體的設計步奏和注意事項請參閱文獻[3]。圖6顯示了一個頂層的標準匝數(shù)設計的例子，它使用的是罐形(RM)磁芯。
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銅箔高度按照對應于zui大開關(guān)頻率時的趨膚深度選取，這樣可以使銅箔的所有部分都成為電流通路，大大減少集膚效應的影響。因此，應該使每一種開關(guān)頻率對應于不同的銅箔高度。