摘 要：高功率密度是當今開關電源發展的主要趨勢，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構和繞組的緊密耦合，使得高頻寄生參數大大降低，極大地改進了開關電源的工作狀態，因此近年來得到了廣泛的使用研究了幾種不同的平面結構和繞組制作的方式,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。最后，比較了平面變壓器和傳統變壓器的一些參數，并給出了設計方針. 關鍵詞：平面變壓器；漏感；插入技術 0 引言 磁性元件的設計是開關電源的重要部分，因為平面變壓器在提高開關電源的特性方面有著很大的優勢，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，初級線圈所產生的磁通并非都穿過次級線圈，于是就產生了漏感，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狀次級繞組，這一匝繞組也不同于傳統的漆包線，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，而且平面變壓器的輸出電流可以通過并聯進行擴充，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小；平面變壓器特殊的結構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。但是，平面結構存在很高的容性效應等問題，大大限制了它的大規模使用，不過，這些缺點在某些應用中，也有可能轉換為一種優點。另外，平面的磁芯結構增大了散熱面積，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合，使得在相鄰的匝數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頻率較高時趨膚效應的損耗，也就是渦流損耗。因此，能最有效地利用銅導體的表面導電性能，效率要比傳統變壓器高得多。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。 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，應該選用最薄的絕緣體來獲得最小的漏感值。 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 插入技術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。 現在插入技術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，插入技術現在已經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 應用于變壓器中的插入技術的主要優點如下： 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。 為了說明插入技術的特征，圖4給出了應用3種不同插入技術的結構，P代表初級繞組，s代表次級繞組。試驗顯示SPSP結構是最好的，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種結構的交流阻抗和漏感值，通過比較可以很容易地發現應用了插入技術的變壓器，交流阻抗和漏感值都有了很大的減少。 2．2 多繞組變壓器中平面結構的優勢 平面變壓器另一個重要的優點是高度很低，這使得在磁芯上可以設置比較多的匝數。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，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，使得它成為最佳的選擇。 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”并不完全是一個變壓器，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 平面變壓器的標準化設計 平面變壓器的優點如上所述，同樣它也有缺點，其最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，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最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 為了比較平面變壓器和傳統變壓器，分別做了兩種變壓器的模型，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。兩種變壓器都被運用于一個互補控制的半橋變換器中。兩個變壓器的參數如下： 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。 平面變壓器初級繞組做成4層，有4個并列的次級。這個變壓器的最終結構如圖7所示。 兩種變壓器都使用了同樣的磁芯RM10，比較了兩種變壓器的漏感，交流阻抗和占用的面積，結果列于表1。 由表1可知，平面變壓器的漏感僅為傳統變壓器的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變壓器的方法，使得設計平面變壓器變得更加容易，成本也將大大降低。可以預見，平面變壓器將有著相當好的應用前景。