平面變壓器發(fā)展的必然性

由于渦流效應(yīng)，在高工作頻率和大電流下，磁元件線圈損耗顯著增加，這繼續(xù)不停降低了效率，況且 引起溫升增大，增加了熱設(shè)計(jì)困難，限制了開(kāi)關(guān)功 率變換器功率密度的進(jìn)一步提高。因此研究線圈損 耗模型、設(shè)計(jì)技術(shù)、開(kāi)發(fā)新型線圈結(jié)構(gòu)以減小其損耗在工業(yè)界有迫切的要求，這也是電力電子高頻 磁技術(shù)一個(gè)非常要緊的研究?jī)?nèi)容。國(guó)外學(xué)術(shù)界與工業(yè)界對(duì)此展開(kāi)了積極研究，國(guó)內(nèi)雖對(duì)磁集成等高頻 磁技術(shù)展開(kāi)了一定的研究但對(duì)線圈技術(shù)的研究則較少。

傳統(tǒng)的繞線式磁元件，由于線圈結(jié)構(gòu)單一、散 熱特性以及參數(shù)一致性差等問(wèn)題，已萬(wàn)不得已滿足開(kāi)關(guān)電源高頻化和低截面的發(fā)展趨勢(shì)。具有低截面的平 面磁元件(planar magnetic components)美妙克服了傳統(tǒng)磁元件的不足，獲得廣泛應(yīng)用。由于平面變壓器功率密度高、窗子高度低，況且工作頻率與電 流越來(lái)越高，對(duì)線圈結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)技術(shù)提出更高的要求，尤其是對(duì)于高頻率和大電流的應(yīng)用場(chǎng)合，為了兼顧高頻渦流效應(yīng)和載流面積所采用的并聯(lián)線圈結(jié)構(gòu)，一點(diǎn)兒傳統(tǒng)的線圈結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)方法不再適用。 在平面變壓器中，銅箔/PCB印刷電路板(printed circuit board)線圈應(yīng)用廣泛。

平面變壓器的幾個(gè)種類

平面變壓器的分類 ：平面變壓器按設(shè)計(jì)制作工藝的不同，可分為印刷電路板（PCB）型，厚膜型、薄膜型、亞微米型4種,今天重點(diǎn)講述的是PCB型平面變壓器！

1， PCB 型變壓器

印刷電路板PCB（printed circuit board）型變壓器可省去繞組骨架，能增大散熱面積，能減小在高頻工作時(shí)由集膚效應(yīng)和鄰近效應(yīng)所引起的渦流損耗，也能增大電流密度，其電流密度最高可達(dá) 20A/mm，功率大，工藝簡(jiǎn)單。但用 PCB，窗子利用率低，僅為0.25~0.3，傳統(tǒng)變壓器的窗子利用率為 0.4，其體積也較大。PCB 型變壓器其功率可高達(dá) 20kW ，頻率可達(dá)兆赫數(shù)量級(jí)。采用 pulse 的平面技術(shù)，多層 PCB 夾在磁芯之間，薄型高效鐵氧氣氣體平面變壓器，其底部面積小，高度只有7.4mm，工作頻率為 150~750kHz，工作溫度為-400~1300。

2，厚膜變壓器

厚膜變壓器是為了克服薄膜變壓器中導(dǎo)體電阻大的短欠而提出的。以氧氣氣化鋁作基體，采用厚膜工藝，在其上、下表面各印制了初級(jí)和次級(jí)繞組，用鐵氧氣氣體制作的平面變壓器在 2MHz，輸出功率為 75W 時(shí)，效率達(dá) 85百分之百。厚膜工藝制造出的平面變壓器效率平常的較低，因此征詢更進(jìn)一步的工藝技術(shù)以完善平面變壓器制造的厚膜工藝是實(shí)現(xiàn)平面變壓器高頻集成化的關(guān)鍵。

3， 薄膜型變壓器

薄膜型變壓器是一種用磁能薄膜研制的疊層微型變壓器，采用薄膜后高度低于 1mm，工作頻率超過(guò) 1MHz，其體積小，易于集成，但只適用于小功率情況。它們絕大多數(shù)采用金屬磁能材料，如坡莫合金、鐵硅鋁和非晶合金。主要是因?yàn)樗鼈冇懈?BS 和高磁導(dǎo)率。Tsuijimotl 等人用帶式（銅厚 35μm，長(zhǎng) 34mm，寬 3mm）加以絕緣膜(厚 100μm)，非晶 CoNbZr 膜（1.8μm）構(gòu)成一種能在高頻下輸出電壓可控的薄膜變壓器——針孔型變壓器，還制成了厚度為 210μm的片式變壓器。它是采用兩層 10μm 厚的 CoZr 非晶薄膜做成的，用于 5V、0.3A、1MHz 的開(kāi)關(guān)電源，77.5百分之百 鐵氧氣氣體材料（以 MnZn系為主）也可以制成薄膜型變壓器，但用常規(guī)的方法很難制出合適的微型磁膜，故需開(kāi)發(fā)新的成膜技術(shù)。目前國(guó)外主要采用 PVD、CVD 等沉積技術(shù)合宜化學(xué)蝕刻，激光燒蝕法、采光射低溫鍍膜法等成膜技術(shù)。Yamaguchi K 等設(shè)計(jì)制作的微型變壓器，其面積只有2.4mm×3.1mm，在 10MHz 時(shí)效率可達(dá) 67百分之百。

4 ，亞微米型變壓器

亞微米變壓器是利用化學(xué)法合成，采用低溫(900℃)燒結(jié)的 NiCuZn 鐵氧氣氣體為中介材料，以 Ag 為內(nèi)電極，用流延和絲網(wǎng)印刷技術(shù)的方法制備而成的，其體積小、質(zhì)量輕、易于集成、工藝簡(jiǎn)單。兩種片式亞微米型變壓器，外形尺寸分別為 2.1cm×2.1cm×1mm和 8mm×8mm×1mm，設(shè)計(jì)變壓比分別為 6 和 4，工作頻率為1~10MHz。 亞微米型平面變壓器結(jié)構(gòu)新穎，改變了傳統(tǒng)變壓器的結(jié)構(gòu)獨(dú)特的地方微記，將變壓器原邊和副邊繞組采用絲網(wǎng)印刷技術(shù)燒制在鐵氧氣氣體材料中，外型類似表貼的集成電路器件。對(duì)亞微米型平面變壓器的電氣性能測(cè)試表明：①空載情況下，變壓比先隨著輸入電壓的增加而增大，而后隨著輸入電壓的增加而減小，范圍內(nèi)達(dá)到最大值。另外，變壓比隨著輸入信號(hào)頻率的增加而增大。②在一定輸入頻率和電壓情況下，輸出功率隨負(fù)載的增大先升高再降低，存在一個(gè)輸出功率最大的負(fù)載電阻值。③在一定輸入電壓和輸出負(fù)載的情況下，隨著輸入電壓頻率的增加，變壓器的變壓比逐漸增大，當(dāng)輸入電壓頻率高于某一臨界值后，變壓比基本保持不變。波形畸變程度隨著輸入電壓頻率的增加而減小。④在一個(gè)固定輸入頻率下，存在一個(gè)飽和負(fù)載電阻值，當(dāng)負(fù)載電阻值小于飽和負(fù)載電阻值時(shí)，則變壓器的輸出電壓隨負(fù)載增大而增大，但當(dāng)負(fù)載電阻值大于飽和負(fù)載電阻值時(shí)，輸出電壓的變化纖小或基本保持不變。隨著頻率的升高飽和負(fù)載電阻值逐漸增大。在負(fù)載電阻值等于飽和負(fù)載電阻值時(shí)，變壓器的變壓比基本不隨輸入電壓的變化而變化，但隨著輸入電壓的升高，輸入輸出電壓的波形畸變程度增強(qiáng)。

新手常問(wèn)的平面變壓器相關(guān)問(wèn)題解答

Q:什么是平面變壓器？

答：平面變壓器是近幾年才在國(guó)內(nèi)熱火起來(lái)的一種新型變壓器。它的特點(diǎn)是器件的整體高度低，呈扁平樣式，具有很多尤其的電氣優(yōu)點(diǎn)，使用軟磁鐵氧氣氣體功率材料做磁芯，是一款支撐未來(lái)電源進(jìn)而改變?nèi)祟愑秒娖骶叩年P(guān)鍵核心器件。

Q:平面變壓器有哪些技術(shù)特點(diǎn)？

答：下表基本歸納了平面變壓器的良好性能：

Q:平面變壓器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是什么？

答：平面變壓器和傳統(tǒng)的高頻變壓器最大的不同就在于它基本上不使用銅線來(lái)繞制，它的內(nèi)部不存在傳統(tǒng)的骨架。它線包的制作普通有兩種方式：

1）銅箔式平面變壓器，這種方式是利用銅箔作繞組，折疊成多層線圈，適合于制造低壓、大電流的變壓器；

2）多層印刷板式平面變壓器，這種變壓器是采用印刷電路板制造工藝，在多層板上形成螺旋式線圈，適合于制造性能比較穩(wěn)定的中小功率的變壓器。

Q:平面變壓器的技術(shù)優(yōu)點(diǎn)還有哪些？

答：（ 1 ）電流分根據(jù)處方配藥均

典型的平面變壓器副邊繞組有若干個(gè)并聯(lián)的線圈。每個(gè)副邊繞組都和同一個(gè)原邊繞組相藕合。所以，副邊電流產(chǎn)生的安匝數(shù)與原邊繞組產(chǎn)生的安匝數(shù)相等（忽略勵(lì)磁電流）。這種特性對(duì)并聯(lián)整流電路特別有用。繞組電流分根據(jù)處方配藥均，在并聯(lián)整流電路中就不影響其他元件。

（ 2 ）電流密度高

平面變壓器有極好的溫升特性設(shè)計(jì)。因?yàn)檫@些特性，所以它能在纖小的封裝體積內(nèi)達(dá)到很高的電流密度，由于它的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，完全滿足高頻電流的工作特性，所以適合在高頻率的場(chǎng)合使用。

（ 3 ）高效率

低漏電感，使它能具有很快的開(kāi)關(guān)時(shí)間，很低的交叉損耗，就能使它達(dá)到很高的效率。這種變壓器副邊繞組和原邊繞組間因?yàn)榻佑|非常緊密，就具有很高的耦合系數(shù)，所以它的效率高、損耗纖小。

（ 4 ）功率密度很高

因?yàn)槠矫孀儔浩髟某叽缋w小，它具有極好的溫度耗散特性，所以能和有關(guān)點(diǎn)半導(dǎo)體器件和電感緊密地封裝在一起，實(shí)現(xiàn)的電流密度可做到 30A / 模塊。

（ 5 ）低成本

整個(gè)變壓器是由少量有關(guān)的廉價(jià)元件組成，加上組裝又很方便，PCB板的前期開(kāi)發(fā)成功以后是采用印制加工方法，所以整體變壓器的成本是很低。

（ 6 ）連接部件成本低廉

由于它的漏電感纖小，開(kāi)關(guān)損耗很低，加在和它相連接部件上的應(yīng)力減少。因此和它連接的部件能使用成本較低的功率元件。

（ 7 ）熱耗散特性好

平面變壓器是具有很高的皮相子積比、很短的熱通道的元器件。這種結(jié)構(gòu)有利于散熱。原邊和副邊繞組之間的匝間損耗纖小，磁芯的功率損耗較小，所以它能做到高磁通密度。它可在 -400C~ 1300C 之間工作。

（ 8 ）泄漏電感低

繞組和繞組之間的良好耦合，就能使繞組匝間的漏電感保持在最小值。輸出端到輔助部件的連線很短況且是緊合宜，所以繞組上的漏電感最小。漏電感小意味著變壓器的EMI指標(biāo)更好，對(duì)開(kāi)關(guān)功率器件的損害最小。

（ 9 ）高頻特性極佳

在這之前，當(dāng)變壓器運(yùn)行在高頻特別事情狀況使開(kāi)關(guān)損耗增大和使變壓器過(guò)熱。平面變壓器的出現(xiàn)，使這些問(wèn)題得以解決。平面變壓器能做到提供一種既經(jīng)濟(jì)又好的變壓器模塊。它可工作在 100KHz ～ 2000KHz 之間。

（ 10 ）結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單適宜表貼

平面變壓器是由少量部件和最少的繞組構(gòu)成的，這種模塊在半半自動(dòng)化裝配中特別適用，況且它的外形自然產(chǎn)生的職業(yè)績(jī)注定它適合表面貼裝及大規(guī)模的流水最簡(jiǎn)單的面接觸線生產(chǎn)。

（ 11 ）外形低宜于整機(jī)小型化

在平面變壓器中所用的磁芯較小，它是以一種扁平的形態(tài)排列在變壓器的表面上。每一磁芯單元外形在 8mm ～ 32mm 范圍內(nèi)，這就使得它具有了很多獨(dú)有的優(yōu)點(diǎn)。

（ 12 ）絕緣強(qiáng)度高

平面變壓器很容易使用絕緣簿膜或是絕緣材料對(duì)變壓器的介電絕緣按要求的進(jìn)行層數(shù)、厚度進(jìn)行絕緣因?yàn)檫@個(gè)達(dá)到所需的技術(shù)要求。

Q:平面變壓器能夠代表變壓器的未來(lái)方向嗎？

答：是。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(lái)看，以鐵氧氣氣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)的薄膜變壓器以及發(fā)展已久的壓電變壓器都還正處于不成熟的研制階段，都不行擔(dān)當(dāng)起在大功率、大變壓比的實(shí)際工程中推廣應(yīng)用。隨著電子技術(shù)的飛速發(fā)展，鐵氧氣氣體平面變壓器必將在較大功率的模塊電源中發(fā)揮主要作用。況且隨著技術(shù)的不斷成熟，平面變壓器必然會(huì)成為變壓器，變流器、電感器件的首選。

Q:平面變壓器是啥模樣的？

答：這里給出它的部分照片兒兒。

Q:為什么平面變壓器的結(jié)構(gòu)是這樣的呢？

答：這一切都是緣于技術(shù)的發(fā)展和社會(huì)形態(tài)形態(tài)的需求。第一代的變壓器使用的是鐵芯—也就是所謂的硅鋼片。這種變壓器制作的電源既笨重且效率特別低，轉(zhuǎn)換效率平常的在50百分之百左右，它適合現(xiàn)已有的供電網(wǎng)絡(luò)工頻（50Hz）的居人民生活所使用的電系統(tǒng)。為了減輕重量提高轉(zhuǎn)換效率，隨后就人們提出了開(kāi)關(guān)電源概念，電氣工程師們把開(kāi)關(guān)電源的工作頻率從10KHz逐步的提高到了100KHz，其中所用到的就是第二代變壓器—鐵氧氣氣體的高頻變壓器，由于鐵氧氣氣體變壓器的體積和重量大大減輕減?。ㄈ?0KHz工作頻率是原來(lái)50Hz的400倍），使得整個(gè)電源的體積和重量就有了較大幅度的減輕減小，效率也從原來(lái)的50百分之百提高到了80百分之百以上。然而人們?nèi)匀徊粷M足，還想不斷的提高工作頻率，大家很自然產(chǎn)生的的認(rèn)識(shí)到，要想得到更高的效率、更小的體積、更高的功率密度、更優(yōu)質(zhì)的電源唯一便捷有效的方法就是提高開(kāi)關(guān)電源的工作頻率。在這里就有必要來(lái)看看電磁領(lǐng)域的法拉第電磁感應(yīng)定律了。

關(guān)于PCB型平面變壓器

PCB變壓器可指位于印刷電路板上的變壓器，或涵蓋多氯聯(lián)苯的變壓器。本文所述PCB變壓器指位于印刷電路板上的變壓器，而非涵蓋多氯聯(lián)苯的變壓器。

用于印刷電路板的變壓器須為緊湊型，也因這樣該變壓器不具備復(fù)雜的冷卻機(jī)制，該冷卻機(jī)制有時(shí)須納入其他變壓器設(shè)計(jì)內(nèi)。這些變壓器普通具有針對(duì)最高溫度與最低溫度的額定值；在此額定值下可進(jìn)行操作。只要保持在該溫度范圍內(nèi)，則該變壓器可提供可靠服務(wù)，因其為變壓器，幾十年可不斷提供服務(wù)。

若要了解印刷電路板變壓器的工作原理，需先了解什么是印刷電路板及其工作原理。

什么是印刷電路板？

印刷電路板是一種以十分緊湊、簡(jiǎn)便的方式連接各類電子元件的方法。印刷電路板使用的是由層壓在絕緣表面上的銅片制成的路徑，而不使用標(biāo)準(zhǔn)布線。該路徑被酸蝕刻到電路板上。

配備有線設(shè)備的印刷電路板稱為印刷線路板?？梢园l(fā)現(xiàn)，印刷電路板及印刷線路板均用于各種不同的電子應(yīng)用中。大多數(shù)人熟悉的印刷電路板設(shè)計(jì)位于計(jì)算機(jī)內(nèi)部，提供裝置所需的所有各類組件，以十分緊湊裝置的形式運(yùn)轉(zhuǎn)，生產(chǎn)經(jīng)濟(jì)、性能卓越，且使用壽命長(zhǎng)。

PCB的歷史

雖然大多數(shù)人可能感到印刷電路板是現(xiàn)代發(fā)明，但實(shí)際上這些設(shè)備的使用始于100多年前。原先的實(shí)驗(yàn)涉及現(xiàn)在仍在所用工藝的早期版本。例如，二十一百年初，托馬斯·愛(ài)迪生已經(jīng)致力于將亞麻紙作為一種印刷電路板。其他發(fā)明家也都致力于相同的設(shè)想，利用各種不同的材料和技術(shù)，計(jì)劃在表面上蝕刻永久電路。

第二次世界大戰(zhàn)之前，印刷電路板已被投入使用。其被應(yīng)用于炸彈的近炸引信中。像第二次世界大戰(zhàn)爭(zhēng)時(shí)期期迅速發(fā)展的大多數(shù)技術(shù)一樣，印刷電路板最終使該技術(shù)進(jìn)入了消費(fèi)者市場(chǎng)。二十一百年50時(shí)期之前，已出現(xiàn)配備印刷電路板的消費(fèi)性裝置。

用戶看到的第一批印刷電路板帶有電線，各組件粘附在印刷電路板上，時(shí)常經(jīng)過(guò)電線從其下方進(jìn)行連接。然而隨著技術(shù)的發(fā)展，更為常見(jiàn)的是，組件僅設(shè)在印刷電路板表面。隨著時(shí)間的推移，該技術(shù)已成為普遍做法。

如今，印刷電路板具有十分復(fù)雜且強(qiáng)大的電子設(shè)備，耐沖擊、可永久使用，且不存在與電路板上安裝的實(shí)際物理電線有關(guān)的短欠。

生產(chǎn)PCB的材料是什么?

令人驚訝的是，制作印刷電路板僅需四個(gè)簡(jiǎn)單組件。用戶制作印刷電路板時(shí)，僅需要銅箔、覆銅薄層壓板、浸自然產(chǎn)生的天然樹(shù)脂布和非覆銅薄層壓板。

盡管組件簡(jiǎn)單，但生產(chǎn)過(guò)程相當(dāng)復(fù)雜。大多數(shù)人熟悉的一部分工藝為蝕刻。蝕刻工作十分簡(jiǎn)單，且允許以可承受價(jià)批量生產(chǎn)印刷電路板。

印刷電路板上不可以出現(xiàn)可溶解銅的材料。所有保留在后方的部分均為擬納入電路板的路徑。制造商也有可能制造雙面電路板并使用其他技術(shù)，使電路板更加多樣。

如今可以看到，電子設(shè)備中使用的電路板為該類技術(shù)的典型應(yīng)用。多年以來(lái)，其構(gòu)造方式經(jīng)歷了多次改變，隨著技術(shù)的提高，極大提高了電路的復(fù)雜性，使其能夠安裝在印刷電路板上。

業(yè)余愛(ài)好者也可以自己制作印刷電路板?？衫帽∧せ蚣す庥∷C(jī)，皆可生產(chǎn)所需的印刷電路板模型，移除后僅留下電路板。

什么是PCB變壓器?

PCB變壓器是專門(mén)設(shè)計(jì)用于印刷電路板的變壓器。其普通為明裝裝置，位于電路板表面，提供可能需要的任何變壓或電流變換。

這些裝置具有各種不同的性能和尺寸，保障其種類可供任何可以想象到的產(chǎn)品進(jìn)行選拔。同時(shí)也有廉價(jià)的部件，使印刷電路板以更加經(jīng)濟(jì)可行的方式生產(chǎn)電子元件。

還有一種無(wú)芯的PCB變壓器。這使得變壓器的尺寸大大降低，盡管這些裝置基本還處于實(shí)驗(yàn)階段。但該裝置的應(yīng)用范圍仍曲直常大的。

哪種應(yīng)用使用PCB變壓器?

PCB變壓器用于各種不同的應(yīng)用中。在計(jì)算機(jī)硬件中，變壓器可逐步將電壓降低至安全水平，使其不行或缺。其還被應(yīng)用于各種不同的生產(chǎn)過(guò)程中，及其他需要變壓器的消費(fèi)性裝置中。與使用大型變壓器相比，PCB變壓器可真正節(jié)約大量資金并在設(shè)計(jì)中節(jié)省大量空間。

PCB變壓器有哪些安裝方式？

主要有兩種方式可為印刷電路板配備變壓器：明裝和通孔安裝。也可以直接在印刷電路板上蝕刻變壓器，但這顯然不需要進(jìn)行任何安裝。

●明裝

明裝的PCB變壓器無(wú)穿透印刷電路板的銷釘或其他組件。這為更緊湊的設(shè)計(jì)提供了可能。

多年以來(lái)，明裝組件已成為印刷電路板的常見(jiàn)零件。因其便于更緊湊的設(shè)計(jì)，所以普通優(yōu)先采用這種方法，將各類電子元件安裝到印刷電路板上。但情況并非總是這樣，拆卸任何計(jì)算機(jī)或其他電子設(shè)備很可能表明，該裝置的大部分組件已被安裝至電路板表面，且無(wú)線或其他物件穿過(guò)。

●通孔安裝

在印刷電路板上通孔安裝的變壓器配有穿透電路板的連接器。這為使用多層印刷電路板和其他應(yīng)用提供了可能。普通，與直接安裝在表神態(tài)片比本人悅目比，通孔安裝方法是一種印刷電路板上安裝組件較不緊湊且更過(guò)時(shí)的方法。對(duì)于某些應(yīng)用及特定組件而言，其仍為印刷電路板上安裝的最佳方法。但您會(huì)發(fā)現(xiàn)，目前印刷電路板上的絕大多數(shù)變壓器組件都為明裝。對(duì)于舊設(shè)備，將其拆卸后可看到具有大量通孔安裝組件的印刷電路板。

平面變壓器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1 繞組結(jié)構(gòu)

平面變壓器的繞組是利用印制板上的螺旋形印制線來(lái)實(shí)現(xiàn)的。印制板中間被挖空用于安裝磁芯。各印 制板之間由絕緣膠布或空白印制板絕緣。磁芯直接將印制板夾在中間，然后通過(guò)膠帶或夾子固定。平面變 壓器的高度取得了有效的降低，同時(shí)進(jìn)一步節(jié)省了體積。印制線成扁平狀，其厚度平常的為35μm/70μm 。 在 頻率小于14MHZ時(shí)，銅的集膚深度都小于印制線厚度的一半。普通開(kāi)關(guān)電源頻率遠(yuǎn)小于這個(gè)值，所以平面 變壓器的集膚效應(yīng)可以忽略。

在多層印制電路板之間要有供繞組互聯(lián)的“通孔”，繞組間的匝數(shù)通過(guò)“通孔”以串聯(lián)或并聯(lián)的方式 彼此構(gòu)成電連接。圖2表現(xiàn)各層通過(guò)通孔用串聯(lián)方式互聯(lián)的布局圖。

每層印制板都布有一排通孔且位置對(duì)齊，然而每層繞組只用其中的兩個(gè)通孔，通過(guò)圖2方式實(shí)現(xiàn)繞組 串聯(lián)。在低壓大電流的場(chǎng)合，也可以通過(guò)通孔實(shí)現(xiàn)繞組并聯(lián)，以提高變壓器的電流發(fā)落懲治能力。如圖3所示。

2 變壓器磁芯

選拔合適的磁芯是保證變壓器性能的關(guān)鍵問(wèn)題。平面變壓器平常的采用高頻功率鐵氧氣氣體軟磁材料制成的 E型、EC、ETD和EER型磁芯、RM型等磁芯。

E型磁芯制造工藝簡(jiǎn)單，售價(jià)較便宜，是現(xiàn)在平面變壓器很流行的磁芯樣式。E型磁芯有大的繞組空間， 能夠提供足夠的空間供大剖面積的引線引出，可允許大電流通過(guò)。同時(shí)E型磁芯可以進(jìn)行不同方向的安裝， 又由于其散熱非常好，可以疊加應(yīng)用更大的功率，平常的大功率變壓器都使用這種磁芯。然而它的短欠是不 能提供自我屏蔽，同時(shí)磁芯中間柱是長(zhǎng)方體，不能有效利用PCB上的空間，使單匝繞組的長(zhǎng)度增加，PCB 繞組的橫剖面積變大，變壓器的所占體積也相對(duì)較大。

RM這種類型磁芯有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)，一是由于磁芯中間柱和邊緣四周?chē)汲蕡A形，可降低銅線的匝長(zhǎng)， 因?yàn)檫@個(gè)降低銅損。另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是能夠充分利用PCB上的空間，可以減小PCB繞組的橫剖面積，將其設(shè)計(jì)成正 方形形式，這樣磁芯漏感較小。并且RM磁芯的屏蔽效果也比E型磁芯要好。

EC、ETD和EER型磁芯介于E型和罐型之間。這類磁芯和E型磁芯一樣，它們能提供足夠的空間供大截面的引線引出，適合現(xiàn)在開(kāi)關(guān)電源低壓大電流的趨勢(shì)；這類磁芯的散熱也非常好；由于中間柱為圓柱形， 與E型相比具有RM型的一點(diǎn)兒優(yōu)點(diǎn)。然而這類磁芯和E型磁芯一樣屏蔽效果不好。

在我們研制的某320VDC/12VDC 25A變換器中對(duì)常規(guī)變壓器和平面變壓器進(jìn)行了比較。主電路為雙管反 激電路，開(kāi)關(guān)頻率100KHZ。沿襲普通高頻變壓器設(shè)計(jì)方法采用兩個(gè)EI33型磁芯并起來(lái)使用，原邊30匝，繞 組使用直徑0.81mm的漆包線；副邊2匝，繞組使用0.3mm的銅皮，2層并聯(lián)。

若磁芯不變，采用PCB繞組時(shí)，為減少成本，應(yīng)用了多塊雙面板來(lái)實(shí)現(xiàn)。原邊繞組PCB每層安放3匝， 線寬=1.5mm，每塊PCB上下兩面可安排處置6匝繞組（如圖7所示）構(gòu)成原邊繞組需要5塊雙面板；副邊繞組電流 大匝數(shù)少，PCB每層安放1匝每塊PCB上下兩面可安排處置2匝（如圖8所示），用4塊并聯(lián)。每塊PCB厚0.4mm，整 個(gè)繞組窗子高度只需6.8mm。若采用多層PCB做繞組，整個(gè)繞組窗子高度只需3mm。

已知標(biāo)準(zhǔn)的EI－33磁芯的窗子高度為19.25 ，與線包的厚度相差很大，為此對(duì)兩個(gè)EI－33磁芯各作 磨削加工，以減小磁芯窗子的高度并與線包得以良好合宜。

經(jīng)磨削修正后的EI―33磁芯，除窗子高度正巧滿足包裝配外，磁芯的重量和體積也得以減少。后裝 配成的變壓器結(jié)構(gòu)呈扁平型。這樣變壓器的表面散熱面積增加了，面積與體積的比值較大，與常規(guī)鐵芯相 比，平面變壓器的熱阻較小，提高了熱性能。

3 寄見(jiàn)效應(yīng)與繞組布局

平面變壓器的一、二次側(cè)繞組交織可以大限度減小漏電感，并且可控制漏電感的大小。然而， 平面變壓器漏電感減小的同時(shí)， 寄生電容卻增大。而若要減小寄生電容，則需增大層與層之間的距離， 這就與減小漏感相矛盾。同時(shí)為提高平面變壓器的功率水平，繞組大多采用并聯(lián)形式以提高電流發(fā)落懲治能力。 然而各繞組層之間的相對(duì)位置、連接方式或其他偶然性性因素的影響，都會(huì)造成各并聯(lián)繞組層之間不均流, 從 而給繞組帶來(lái)附加損耗。

以二種類型的平面變壓器研究其寄見(jiàn)效應(yīng)。每一類變壓器的繞組結(jié)構(gòu)各不相同，所以它們有不同的漏 感和寄生電容。圖9為所述的二種類型變壓器繞組的結(jié)構(gòu)布局：

1＃：初級(jí)繞組和次級(jí)繞組對(duì)稱組合

2＃：初級(jí)繞組和次級(jí)繞組交替組合

由于初級(jí)繞組與次級(jí)繞組間的寄生電容Cps嚴(yán)重影響著變壓器的高頻特性，故要其盡量小。在多層印制電路板變壓器結(jié)構(gòu)中，其繞組是由平行的扁平面導(dǎo)電條狀銅箔組成的，則兩個(gè)繞組間的電容可使用兩塊平行導(dǎo)電板之間的電容計(jì)算公式直接求得：Cps=ε·s/d?？梢?jiàn)由于平面變壓器的結(jié)構(gòu)特性將會(huì)有較大的寄生電容。

表 三種不同繞組結(jié)構(gòu)變壓器的參數(shù)對(duì)比

上表給出了兩個(gè)不同繞組結(jié)構(gòu)的平面變壓器的寄生參數(shù)。從上表可見(jiàn)2＃變壓器繞組結(jié)構(gòu)的漏感要比1＃ 要低，然而2＃變壓器的寄生電容要遠(yuǎn)大于1＃變壓器。為了進(jìn)行比較，上表同時(shí)列出了與平面變壓器使用 相同磁芯的常規(guī)變壓器，標(biāo)記為3＃。

從表1可以看出平面變壓器與常規(guī)變壓器相比漏感比較小，然而有相對(duì)較高的繞組間寄生電容。

4 實(shí)例

設(shè)計(jì)了一個(gè)運(yùn)用平面變壓器的雙管反激變換器。變換器主要參數(shù)：Vin=290～360V， Vo=12V，Po=300W，f=100KHZ 。

平面變壓器繞組由厚度為0.4mm的印制電路板制作，線圈采用雙面印制電路板，共10層。初級(jí)印制板 為5層，每層每面3匝，5層串聯(lián)共30匝，銅繞組寬1.5mm、厚0.035mm，繞組匝與匝之間間隔0.2mm； 次級(jí)印制板為4層，每層每面1匝，4層并聯(lián)共2匝，銅繞組寬5.1mm，厚0.035mm。繞組布局選用3中1＃布局方式，平面變壓器原邊電感L1＝516.4ｕH，漏感Ls＝19.0ｕH，高度為16mm，重量為70g。

同時(shí)設(shè)計(jì)了一個(gè)滿足變換器參數(shù)要求的常規(guī)變壓器。常規(guī)變壓器選用相同磁芯，原邊30匝，繞組使用 直徑0.81mm的漆包線；副邊2匝，繞組選用0.3 mm銅皮，2層并聯(lián)。繞法為“三明治”繞法，先繞制15匝原邊，再繞制副邊，后繞制15匝原邊。變壓器L1＝516.8ｕH，漏感Ls＝25.2ｕH，高度為30.2mm，重量為120g。

由圖10對(duì)比可以看出，平面變壓器繼續(xù)不停漏感比常規(guī)變壓器要小，況且體積、重量也要小很多。

圖11給出了反激變換器在不同變壓器下的效率曲線。由于平面變壓器漏感小和自身?yè)p耗比較小，在全 范圍負(fù)載內(nèi)都比常規(guī)變壓器的效率要高。

總結(jié)語(yǔ)

本文論述了平面變壓器相關(guān)技術(shù)并對(duì)PCB型平面變壓器做了縝密的介紹與設(shè)計(jì)，并以具體實(shí)例商量其特性。與傳統(tǒng)磁芯相比，平面型磁芯除寫(xiě)出備低造型、低漏感、低損耗等優(yōu)點(diǎn)外，還具有良好的熱特性、絕緣性、一致性和耦合性。因 此，平面型功率變壓器與傳統(tǒng)功率變壓器相比能顯著提高變換器的性能、體積，具有明顯的優(yōu)勢(shì)，是開(kāi)關(guān)電源的理想選拔。