平面干式變壓器在開關電源中的技術優勢

高功率密度是開關電源的主要趨勢。要做到這一點，需要提高磁性元件的功率密度。由于特殊的平面結構和繞組的緊密耦合，高頻寄生參數大大降低，大大改善了開關電源的工作狀態。因此近年來得到了廣泛的應用。研究了幾種不同的平面結構和繞組制造方法，介紹了一種設計平面干式變壓器的標準方法，使設計過程更加簡單，大大降低了設計成本。較后，對平面干式變壓器和傳統干式變壓器的一些參數進行了比較，并給出了設計準則。漏感；插入技術介紹0磁性元件的設計是開關電源的重要組成部分。由于平面干式變壓器在改善開關電源特性方面具有很大的優勢，近年來得到了廣泛的應用。對于理想的干式變壓器，初級線圈產生的磁通量通過次級線圈，即沒有漏磁通。但對于普通干式變壓器來說，初級線圈產生的磁通量并沒有全部通過次級線圈，導致漏電感，無法滿足電磁耦合的嚴密性要求。而平面干式變壓器只有一匝網狀二次繞組，與傳統漆包線不同，而是一片銅皮，貼在幾個大小相同的沖壓鐵氧體磁芯表面。因此，平面干式變壓器的輸出電壓取決于磁芯的數量，平面干式變壓器的輸出電流可以并聯擴展以滿足設計要求。因此，平面干式變壓器的特點很明顯：平面繞組的緊密耦合大大降低了漏電感；平面干式變壓器的特殊結構使其高度非常低，這使得變壓器在一塊板上制造的想法成為現實。然而，平面結構存在電容效應大等問題，極大地限制了其大規模應用。然而，在某些應用中，這些缺點可能會轉化為優點。此外，平面磁芯結構增加了散熱面積，有利于干式變壓器的散熱。

1平面干式變壓器的特性研究如上所述，平面干式變壓器的優點主要集中在較低的漏電感和交流阻抗上。繞組之間的間隙越大，漏電感越大，能量損耗越高。平面干式變壓器采用銅箔與電路板緊密結合，使得相鄰匝層之間的間隙很小，所以能量損耗很小。在平面干式變壓器中，“繞組”是在印刷電路板上制成的扁平導線，或者直接用銅固定。當開關頻率高時，平坦的幾何形狀減少了集膚效應的損失，即渦流損失。因此，銅導體的表面導電性可以得到較有效的利用，效率遠遠高于傳統的干式變壓器。圖1示出了平面干式變壓器的截面圖，并且通過利用兩層繞組之間的距離差來獲得不同間隙下的漏電感和交流阻抗值。

圖2和圖3顯示了不同間隙下漏電感和交流阻抗的變化。可以清楚的看到，間隙越大，漏電感越大，交流阻抗越小。當間隙增加1mm時，漏電感增加5倍。因此，當電氣絕緣滿足時，應選擇較薄的絕緣體，以獲得較小的漏電感。

然而，電容效應在平面干式變壓器中非常重要，印刷電路板上緊密纏繞的導線使得電容效應非常明顯。而且絕緣材料的選擇對電容值影響很大。絕緣材料的介電常數越高，干式變壓器的電容值就越高。然而，電容效應會導致電磁干擾，因為只有電容環路的繞組會將這種干擾從初級繞組傳播到次級繞組。為了驗證，作者做了一個實驗。當銅線之間的間隙增加0。2 mm時，電容減小

2插入技術插入技術是指在布置干式變壓器的一次繞組和二次繞組時，一次繞組和二次繞組交替放置，以增加一次繞組和二次繞組之間的耦合，從而降低漏電感，同時電流分布均勻，降低干式變壓器的損耗。目前，插入技術的研究分為兩個方面，即應用于干式變壓器的插入(正向電路)和應用于連接電感的插入(反激電路)。因此，插入技術被研究為不同拓撲中的不同磁性部件。2.1插入技術應用于平面干式變壓器插入技術應用于干式變壓器的主要優點如下：1)干式變壓器中的磁能存儲空間減小，導致漏電感減小；2)使電流在傳輸過程中理想地分布在導體上，導致交流阻抗降低；3)繞組之間更好的耦合導致更低的漏電感。為了說明插入技術的特點，圖4顯示了使用三種不同插入技術的結構，其中P代表初級繞組，S代表次級繞組。實驗表明，SPSP結構是較好的，因為初級和次級繞組是間隔插入的。圖5顯示了三種結構在500千赫時的交流阻抗和漏電感值。通過比較，可以很容易地發現，采用插入技術的干式變壓器的交流阻抗和漏電感值已經大大降低。

2.2多繞組干式變壓器中平面結構的優點平面干式變壓器的另一個重要優點是高度低，可以在磁芯上設置更多的匝數。高功率密度的變換器需要體積相對較小的磁性元件，平面干式變壓器很好地滿足了這一要求。例如，多繞組干式變壓器需要多匝，會導致體積和高度過大，影響電源的整體設計，而平面干式變壓器沒有這個問題。此外，對于多繞組干式變壓器，保持繞組之間的良好耦合非常重要。如果耦合不理想，漏感會增大，會增加二次電壓的誤差。平面干式變壓器耦合性好，是較佳選擇。2.3不同拓撲中平面干式變壓器的作用不同拓撲中磁性元件的作用也不同。在正激變換器的干式變壓器中，當主開關管接通時，磁能由初級繞組纏繞

組傳遞到次級繞組中。然而，在反激變換器中的“干式變壓器”并不完全是一個干式變壓器，而是兩個連接的電感器。在反激拓撲中的“干式變壓器”在主開關管開通的時候初級繞組儲存能量，而在關閉的時候將能量傳送到次級繞組。因此，這種插入技術的優點同上面相比是不同的。應用于這種干式變壓器的插入技術的特點如下：  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小；  3)插入使得繞組間產生較好的耦合，因此有比較小的漏感值。3 平面干式變壓器的標準化設計  平面干式變壓器的優點如上所述，同樣它也有缺點，其較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干式變壓器的程序步驟[3];它通過提供一個標準的匝數模型的設計，使之能夠被使用于不同的平面干式變壓器中，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板上來替代傳統的導線，即使在許多需要很多匝數的開關電源中，干式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設計的例子，它使用的是罐形(RM)磁芯。

  銅箔高度按照對應于較大開關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，應該使每一種開關頻率對應于不同的銅箔高度。

4 實驗論證  為了比較平面干式變壓器和傳統干式變壓器，分別做了兩種干式變壓器的模型，一種使用平面結構并使用了插入技術，另一種使用銅線分別在初級和次級繞制而成。兩種干式變壓器都被運用于一個互補控制的半橋變換器中。兩個干式變壓器的參數如下：  初級 12匝：  次級兩個l匝的繞組(1：1中心抽頭)。  傳統干式變壓器使用漆包線作為繞組，雖然在這些線圈中電流密度不盡相同，選擇電流密度小于7.5A／mm。  平面干式變壓器初級繞組做成4層，有4個并列的次級。這個干式變壓器的較終結構如圖7所示。

  兩種干式變壓器都使用了同樣的磁芯RM10，比較了兩種干式變壓器的漏感，交流阻抗和占用的面積，結果列于表1。

  由表1可知，平面干式變壓器的漏感僅為傳統干式變壓器的1／5，交流阻抗也僅為l／3，由此可見這將大大提高變換器的工作特性。而且，由于結構的更加緊湊，使得可以使用更小的RM8磁芯。 5 結語  平面干式變壓器在減小漏感、交流阻抗等方面有著非常大的優點，并且因為體積的小巧使之成為一種非常好的磁性元件。給出了一種標準的設計平面干式變壓器的方法，使得設計平面干式變壓器變得更加容易，成本也將大大降低。可以預見，平面干式變壓器將有著相當好的應用前景。