0 引言
磁性元件的設(shè)計(jì)是開關(guān)電源的重要部分,，因?yàn)?a class="innerlink" href="http://forexkbc.com/tags/平面變壓器" title="平面變壓器" target="_blank">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(yīng)用,。對于一個(gè)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(gè)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(gè)數(shù),，而且平面變壓器的輸出電流可以通過并聯(lián)進(jìn)行擴(kuò)充,，以滿足設(shè)計(jì)的要求。因此,，平面變壓器的特點(diǎn)就顯而易見了：平面繞組的緊密耦合使得漏感大大地減?。黄矫孀儔浩魈厥獾慕Y(jié)構(gòu)使得它的高度非常的低,，這使變換器做在一個(gè)板上的設(shè)想得到實(shí)現(xiàn),。但是，平面結(jié)構(gòu)存在很高的容性效應(yīng)等問題,，大大限制了它的大規(guī)模使用,，不過，這些缺點(diǎn)在某些應(yīng)用中,，也有可能轉(zhuǎn)換為一種優(yōu)點(diǎn),。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插入技術(shù)
插入技術(shù)是指在布置變壓器原、副邊繞組時(shí),，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(shí)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(gè)方面,，即應(yīng)用于變壓器的插入（正激電路）和應(yīng)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?fù)渲凶鳛椴煌拇判圆考硌芯俊?/p>
1.1 應(yīng)用于平面變壓器的插入技術(shù)
應(yīng)用于變壓器中的插入技術(shù)的主要優(yōu)點(diǎn)如下：
1）使變壓器中磁性能量儲存的空間減少,，導(dǎo)致漏感的減少,；
2）使電流傳輸過程中在導(dǎo)體上理想分布，導(dǎo)致交流阻抗的減少,；
3）繞組間更好的耦合作用,，導(dǎo)致更低的漏感。
1．2在不同拓?fù)渲衅矫孀儔浩鞯淖饔?/strong>
在不同的拓?fù)渲?，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(shí)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(gè)變壓器,，而是兩個(gè)連接的電感器。在反激拓?fù)渲械?ldquo;變壓器”在主開關(guān)管開通的時(shí)候初級繞組儲存能量,，而在關(guān)閉的時(shí)候?qū)⒛芰總魉偷酱渭壚@組,。因此，這種插入技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)同上面相比是不同的,。應(yīng)用于這種變壓器的插入技術(shù)的特點(diǎn)如下：
1）在磁芯中儲存的能量沒有減少,，因?yàn)殡娏髟谀硶r(shí)刻只能在一個(gè)繞組中流動(dòng)，并且沒有電流補(bǔ)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??；
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,。
1．3 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(gè)重要的優(yōu)點(diǎn)是高度很低,，這使得在磁芯上可以設(shè)置比較多的匝數(shù)。一個(gè)高功率密度的變換器需要一個(gè)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(shè)計(jì)，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?yàn)榫哂泻芎玫鸟詈?，使得它成為最佳的選擇。
2 平面變壓器的特性研究
如前所述,，平面變壓器的優(yōu)點(diǎn)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(dǎo)導(dǎo)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(shí)趨膚效應(yīng)的損耗，也就是渦流損耗,。因此,，能最有效地利用銅導(dǎo)體的表面導(dǎo)電性能，效率要比傳統(tǒng)變壓器高得多,。圖1給出了一個(gè)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(yīng)該選用最薄的絕緣體來獲得最小的漏感值。
為了說明插入技術(shù)的特征,，圖4給出了應(yīng)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(yàn)顯示SPSP結(jié)構(gòu)是最好的,，因?yàn)槌跫壓痛渭壍睦@組都是間隔插人的。圖5顯示了在500 kHz時(shí),，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(yīng)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,。
然而,，容性效應(yīng)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(dǎo)線使得容性效應(yīng)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(yīng)會引起EMI,，因?yàn)閺某跫壍酱渭壍睦@組中只有容性回路的繞組傳播這種干擾。為了驗(yàn)證,，筆者做了一個(gè)試驗(yàn),，在銅導(dǎo)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(gè)比較低的電容值,，則必須在漏感和電容值之間做出一個(gè)折中的選擇。
3 平面變壓器的標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)
平面變壓器的優(yōu)點(diǎn)如上所述,，同樣它也有缺點(diǎn),，其最主要的缺點(diǎn)就是設(shè)計(jì)的過程非常復(fù)雜，而且設(shè)計(jì)成本也非常高,。
下面介紹一種標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)計(jì)平面變壓器的程序步驟［3］;它通過提供一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的匝數(shù)模型的設(shè)計(jì),，使之能夠被使用于不同的平面變壓器中，從而使得設(shè)計(jì)過程大大簡化,，費(fèi)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(diǎn),。在有些多匝的層次中,，這個(gè)外部連接點(diǎn)是不同匝數(shù)間的電氣連接點(diǎn)。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(dǎo)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(gè)很小的體積,，這便大大減小了整機(jī)的體積。具體的設(shè)計(jì)步奏和注意事項(xiàng)請參閱文獻(xiàn)［3］
,。圖6顯示了一個(gè)頂層的標(biāo)準(zhǔn)匝數(shù)設(shè)計(jì)的例子,，它使用的是罐形（RM）磁芯。
銅箔高度按照對應(yīng)于最大開關(guān)頻率時(shí)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(yīng)的影響。因此,，應(yīng)該使每一種開關(guān)頻率對應(yīng)于不同的銅箔高度,。
4 實(shí)驗(yàn)論證
為了比較平面變壓器和傳統(tǒng)變壓器，分別做了兩種變壓器的模型,，一種使用平面結(jié)構(gòu)并使用了插入技術(shù),，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(yùn)用于一個(gè)互補(bǔ)控制的半橋變換器中,。兩個(gè)變壓器的參數(shù)如下：
初級 12匝：
次級兩個(gè)l匝的繞組（1：1中心抽頭）。
傳統(tǒng)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(gè)并列的次級,。這個(gè)變壓器的最終結(jié)構(gòu)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(jié)果列于表1。
由表1可知,，平面變壓器的漏感僅為傳統(tǒng)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(jié)構(gòu)的更加緊湊，使得可以使用更小的RM8磁芯,。
5 結(jié)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(yōu)點(diǎn)，并且因?yàn)轶w積的小巧使之成為一種非常好的磁性元件,。給出了一種標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)計(jì)平面變壓器的方法,，使得設(shè)計(jì)平面變壓器變得更加容易，成本也將大大降低,?？梢灶A(yù)見，平面變壓器將有著相當(dāng)好的應(yīng)用前景,。