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平面变压器在开关电源中应用的优越性分析

时间:11-27 来源:电源世界 点击:

4 平面变压器的分类
  从变压器在开关电源中所处的位置上看,平面变压器可以分为独立式和嵌入式平面变压器。

  独立式平面变压器是利用平面铜制引线框架或印制板的铜线为绕阻而构成。精密的铜制引线框架或印制绕组使设计规格比线绕变压器更精确地符合要求,器件间的重复性水平也得到提高。

  蚀刻铜制引线框架或印制型绕阻被堆叠在平面中,与高频铁氧体磁芯构成变压器的磁路。该设计使其成为一个非常低剖面的变压器组件。在平面设计中实现大的横截面积铜导体使高功率密度和高电流的设计变得更加容易。平面绕组和铁氧体的高表面容量比使平面变压器具有良好散热功能。

图3. 开关电源上的平面变压器

  特别是在高工作频率下,高转换效率是平面变压器的关键的优势。在绕线变压器中,效率被"趋肤效应"逆反影响,即当高频电流通过圆柱形导体时迫使电子由中部流向边缘集中在铜线表面,从而减少了电流通过的导体横截面积。

  从生产加工的角度来看,平面变压器也优于线绕变压器。绕线变压器通常要求手工操作来剥去在绕线端的涂料,然后再焊锡。而在平面变压器上的压制或蚀刻铜片的引出端常常能形成表面贴装终端以便于增长装配速度和重复性,从面减少成本。

  嵌入式变压器利用DC/DC转换器的电路板作为自己的绕组,它比独立式平面变压器占用空间更小。但它每一组输入/输出电压都需要设计不同的电路板,而且,对于嵌入式平面设计,因为蚀刻线圈需要使用多层电路板,所以总体成本较高。一些混合设计利用主板作为初级绕线,然后用分离的小PCB作为次级来产生不同的输出电压。这种设计也很普遍。

  虽然嵌入式设计达到高功率密度并拥有良好的热性能以实现空间节约的特性,但是对于许多应用,这些优点被成本、缺乏灵活性和可互换性所限制。不过高生产量将能在一定程度上抵销嵌入式设计的较高成本。

5 平面变压器设计
5.1绕组间距选择

  不同于其它结构和材料,平面变压器没有像传统变压器那样很长的产生漏感的导线,而是利用铜箔与电路板间的紧密结合,使得在相邻的匝数层间的间隙非常的小,因此在其中的能量损耗也就很小了。在平面型变压器里,其"绕组"是做在印制电路板上的扁平传导导线或是直接用铜泊。扁平的几何形状降低了开关频率较高时趋肤效应的损耗,也就是传统所说的涡流损耗。因此,能最有效地利用铜导体的表面导电性能,效率要比传统变压器高的多。但平面变压器的特性并不全是优点。平面变压器一、二次侧绕组之间的间距较小,储存磁能少,所以漏感也较小;但这样却使得一、二次侧产生的寄生电容变大。另外,PCB绕组的可重现化特性却是以增大铁心绕线窗中绝缘材料的比例为代价,降低了铜填充系数,限制了线圈匝数。可以通过调整绕组间的距离调整漏感的大小。

  下面两个表给出了在不同的绕组间距下漏感和交流阻抗的变化。可以明显的看出间隙越大,漏感越大,交流阻抗越小。在间隙增加1mm的状况下漏感值增加了五倍之多。因此在满足电气绝缘需要的情况下,应该选用最细的绝缘体来获得最小的漏感值。

  然而,容性效应在平面变压器中是非常重要的,在印制电路板上紧密结合的导线间使得容性效应非常的明显。而且绝缘材料的选取对容性值也有着非常大的影响,绝缘材料的容性越高,将会是变压器的容性值越高。而容性效应会引起EMI,因为从初级到次级的绕组中只有容性回路的绕组传播这种干扰。因此如果需要一个比较低的电容值,则必须在漏感和电容值之间做出一个平衡的选择。

5.2交叉技术
  交叉技术指的是指在布置变压器原、副边绕组的时候使得原边绕组&副边绕组交替放置,增加原、副边绕组的耦合,减小漏感,同时使得电流平均分布,减小变压器损耗。
  现在插入技术的研究被分为两个方面:应用于变压器的交叉(正激电路)和应用于连接电感器的交叉(反激电路)。因此交叉技术现在已经被放在不同的拓扑中作为不同的磁性部件来研究。

  应用于变压器中的交叉技术[8]的主要优点显示如下:

在变压器中磁性能量储存空间的减少,导致漏感的减少 电流传输过程中在导体上的理想分布,导致交流阻抗的减少 绕组间更好的耦合作用,更低的漏感

图6.运用交叉技术的三种不同结构

为了说明交叉技术的特征,图6显示了三种应用了交叉技术的不同结构。P代表初级绕组,S代表次级绕组。三种结构运用了交叉技术,但显示SPSP结构是最好的,因为初级和次级的绕组都是间隔交叉的。图7中显示了在500KHZ时,三种结构的交流阻抗和

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