平面变压器在开关电源中应用的优越性分析

1 引言
　　近年来，随着电力电子技术的发展和成熟，人们逐渐认识到磁性元件不仅是电源中的功能元件，同时其体积、重量、损耗在整机中也占相当比例。据统计，磁性元件的重量一般是变换器总重量的30％～40％，体积占总体积的20％～30％，对于模块化设计的高频电源，磁性元件的体积、重量所占的比例还会更高。另外，磁性元件还是影响电源输出动态性能和输出纹波的一个重要因素。因此，要提高开关电源的功率密度、效率和输出品质，关键是提高其中磁元件的功率密度，降低磁性元件的体积和重量。平面变压器因为其特殊的平面结构和绕组的紧密耦合，使得高频寄生参数得到了很大的降低，极大改进了开关电源的工作表现。因此，近年来其在开关电源领域得到了广泛的应用。本文综述了近年来发展的平面变压器技术，与传统变压器进行比较，分析了平面变压器在当今开关电源发展应用的优势和前景。

2 平面变压器的结构
　　变压器是电源中的一个关键元件。传统的绕线变压器通常由铁氧体磁芯及铜线圈构成，体积庞大而且容易产生电磁干扰。而平面变压器与传统的绕线变压器最大的区别在于铁芯及线圈绕组。平面变压器采用小尺寸的E型、RM 型或环型铁氧体磁芯，通常是由高频功率铁氧体材料制成，在高频下有较低的磁芯损耗；绕组采用多层印刷电路板迭绕而成，然后迭放在平面的高频磁芯上构成变压器的磁回路。图1中表示出了一种典型的多层板平面变压器结构。这种设计有低的直流铜阻、低的漏感和分布电容，可满足谐振电路的设计要求。而且由于磁芯良好的磁屏蔽，可抑制射频干扰。并且平面变压器原边绕组的匝数通常也只有数匝，不仅有效降低了铜损和分布电容、电抗，而且为绕制带来了很多便利。由于磁芯是用简单的冲压件组合而成的，性能的一致性大大提高，也为大批量生产降低了成本。从而有效地解决体积及高频问题，为电源变换器的轻型化、小型化提供了可能。

　　市面上的平面变压器铁心有带夹槽和无夹槽两种。带夹槽铁心通过厂家提供的夹板来固定；无夹槽铁心之间的固定采用树脂胶合的方式。采用带夹槽铁心的变压器适用于高温升场合，且比较牢固，如图2a所示；无夹槽铁心制成的变压器高度比带夹槽的变压器要低一些。设计者可按实际情况选择铁心。若选择无夹槽铁心，注意树脂不可粘在两块铁心的结合面，这样铁心之间会存在气隙，应把树脂粘在铁心的外侧，如图2b所示。

图2. 两种平面变压器铁心的结合方式

3 平面变压器的优势及发展现状
　　平面变压器与传统变绕线压器相比具有许多的优点：
　　　1）体积小，剖面低。由于平面变压器采用了铁氧体磁芯，缩小了变压器的体积，一般高度均小于20mm.
　　　2）高功率密度。由于平面变压器结构上的优势，提高了其电气特性，使其比传统变压器的功率密度高3倍。
　　　3）高电压、高电流。在平面变压器中，导线实际是一些平面导体，因而电流密度大，每层绕组最大电流可达200A，次级升压可达20kV以上。
　　　4）大功率。单个器件功率可达0.5kW～ 25kW.
　　　5）高效率。可达到98％～99％。
　　　6）低漏感。约为初级电感的0.2％左右。
　　　7）工作频率范围宽。其频率范围为50kHz～2MHz.
　　　8）工作温度范围宽。-40℃～130℃。
　　　9）因有固定的及预先加工好的绕组结构，参数稳定可重复特性好。
　　　10）散热好。热通道距离短，温升低，散热面积大，热传导效果好。
　　　11）低EMI辐射。因具有高效磁芯屏蔽，从而可抑制射频干扰。
　　　12）高绝缘性。绕组之间、初-次级及次-次级间具有高绝缘性，初-次级间绝缘隔离可达4kV.
　　　13）组装性能好。

　　将现有的三种类型的变压器（常规变压器、压电陶瓷变压器和平面变压器）的性能进行比较，见表 1：

　　鉴于平面变压器的上述种种技术参数上的优越性，它可以广泛应用在笔记本电脑、数码相机、数字化电视、通信电源、汽车电子等领域。一只200W的低高度平面变压器仅1 4mm高 ，比传统的高频产品体积小，重量也轻了许多。由于其寄生电抗极小。即绕组间电容和漏电感极小。故效率高达97％ ，最高工作频率为2MHz.漏抗小于0.2％ .目前国外的微型电子变压器的发展较快，已经生产出5mm×5mm×5mm的微型变压器和厚薄仅为0.2mm的平面变压器，我国少数外资企业已经有此类封装微型电子变压器，而国内企业尚待开发。由于汽车中特殊的电气和机械环境，对变压器设计和工艺提出更严格的要求。平面变压器已经在中档轿车中使用。其次，宽带传输应用的平面变压器，也显示了良好的发展前景。