平面干式变压器及其应用综述

1.引言高频高功率密度的功率转换模块在电力电子设备中得到了广泛的应用和发展。提高变换器的功率密度，关键是减小磁性元件的体积和重量。一方面，考虑到传统的电磁理论，对于一定的线圈窗口面积和铁芯截面积，对于较优结构，要求线圈回路和铁芯回路的长度较短，以减小铁芯的总体积和线圈的平均长度；另一方面，考虑到热设计理论，磁性元件的散热表面积较大化，并且从磁性元件的热点到磁性元件的表面积的热阻减小，从而提高功率密度。干式变压器结构正在经历三次升级。较好次是平面干式变压器，体积重量比三维干式变压器(普通干式变压器)小80%，已形成5W-20KW、20k Hz-2MHZ范围的产品，典型效率98%。第二次是片式干式变压器，特别适合低压大电流。高度(厚度)进一步减小，电流可达100 A以上，由一个次级绕组和多个磁芯组成，取代了以前的一个磁芯和多个绕组。多个磁芯的初级绕组串联，以满足降压隔离的要求。内部温升比平面干式变压器低，只有10左右。它可以安装在额定温升较高的基板上。第三次是薄膜干式变压器，采用薄膜后高度小于1毫米。工作频率超过1MHZ，达到10~100MHZ。因为集成电路技术，成本不增加。是DC开关电源干式变压器的较新发展方向。之所以强调“正面体验”，是因为目前不同的应用领域和市场对干式变压器基于性能价格比的结构形式要求不同。立体干式变压器仍然广泛使用。平面干式变压器已经形成系列，正在推广。片式干式变压器正处于单件小批量生产阶段。薄膜干式变压器只是一个孤立的案例，还处于研发阶段。由此可见，铁氧体平面干式变压器在未来的功率转换模块中，尤其是在较大的功率模块中，将发挥极其重要的作用。2.结构原理平面干式变压器通常有两个或两个以上相同尺寸的柱状铁芯。以两个磁芯的平面干式变压器结构为例进行介绍，如图1所示。每个磁芯柱的两个对角由铜皮连接，铜皮穿过磁芯柱时紧贴磁芯内壁。两个磁芯并排放置，两个相邻的角上焊接有铜皮，一个磁芯外侧两个角上的铜皮与一个铜皮焊接在一起，铜皮是平面干式变压器次级线圈的中心。如果抽头在这里引出，则是次级线圈的中心抽头。另一个磁芯外侧两个角上的铜皮是平面干式变压器次级线圈的两端。因此，基本上形成了平面干式变压器的主体。它的次级线圈只有一匝，可以有中心抽头。一个完整的平面干式变压器也有一个预设的储能电感，其一端经常连接到中心抽头，上下固定铜板分别设置，夹住磁芯和滤波电感，同时作为整流电源的极和散热板。可以看出，平面干式变压器是由铜引线框和扁平连续的铜螺旋组成的，而不是缠绕在传统铁氧体磁芯上的磁性铜线。螺旋被蚀刻在涂有铜箔的介电材料片上，然后堆叠在平坦的高频铁氧体磁心上，形成干式变压器的磁路。然后用小粒径的环氧树脂粘接芯材，使芯材损耗较小化，螺旋叠片中的耐高温(130)绝缘材料保证绕组间的高绝缘。2.1制造模式2.1.1磨合 #p#分页标题#e#

2.1.3多层印刷电路板(PCB)这种方法采用了PCB的制造技术，利用精密的薄铜片或在绝缘片上刻蚀的几个平面铜绕组，在多层板上形成螺旋线圈。特别适合制作高频、高压、中、小功率平面干式变压器。2.2特性表1比较了常规干式变压器、压电陶瓷干式变压器和平面干式变压器的特性。平面干式变压器的物理和电气特性将在下面描述[1]。2.3物理特性平面干式变压器具有体积小的特点，一般在0.325英寸到0.750英寸之间，对于电源内部空间受到严格限制的场合，颇具吸引力。平面干式变压器的印刷电路板结构是指一旦电路板元件被设置为平面器件，干式变压器的绕组在后续生产过程中应具有彼此完全相同的间距。因此，允许生产自动组装设备，这可以大大提高每个设备的可重复性和可靠性，并避免传统干式变压器的手动绕组造成的不规则性和不稳定性。总之，平面干式变压器采用机械加工的多层制造工艺，一致性好；由于绕组的几何形状及其相关寄生特性限制在PCB制造公差范围内，因此具有重现性；由于其高能量密度，适用于表面贴装装配，具有小型化的特点。此外，平面干式变压器的性能一致性和可预测性使其比常规干式变压器更容易建模，特别适合用计算机辅助工程工具(如SPICE)建模。2.4电特性涡流效应是相邻导体交变磁场引起的边缘电流效应，趋肤效应是圆导线中产生感应磁场等感应电流时，会集中在导线外表面的现象，特别是在较高频率下，涡流效应和趋肤效应尤为明显。结果，总载流面积小于整个导体面积，这使得交流阻抗大于DC阻抗，并降低了有效传导性能，从而使得传统干式变压器中缠绕在铁氧体磁芯上的圆形导体绕组的利用率没有得到充分利用。然而，平面干式变压器的绕组是蚀刻在印刷电路板上的铜箔层。虽然由于趋肤效应，电流集中在铜箔层的外表面层，但由于铜箔层很薄，电流实际上几乎流过整个导体。与传统的干式变压器相比，它可以获得更高的效率和更小的体积。干式变压器的工作频率高于300KHz时，铜箔层厚度等于外皮厚度就足够了，也可以避免杂散电流造成的量

外损耗。平面干式变压器结构使寄生电抗（绕组间电容和漏感）较小，通常为初级电感的0.5%以下。低漏感是通过分离措施实现的，就是把初级绕组一部分置于叠层的顶部，另一部置于叠层的底部，然后在叠层两边均匀地夹入次级绕组。平面干式变压器低的杂散电容和漏感很有利于降低干式变压器输出电压的高频瞬时扰动。采用在介质片上叠积导电电路，这种结构还能使平面干式变压器的初级与次级和次级与次级之间达到很好的电绝缘，该干式变压器能适用宽范围的输入电压，并能按要求给出一个、二个或三个输出，它们也能满足或优于脱机转换器的性能要求。总之，平面干式变压器由于其扁平绕组而具有高频率（1MHz）、高效率（98%～99%）、低损耗、低漏感等电气特性；由于导电电路与绝缘片相重迭构成，而具有好的绝缘性（初级到次级间可达4KV绝缘隔离）。此外，平面干式变压器还具有宽的工作温度范围(-40~130)，高电流密度（每层绕组较大电流可达200A）和功率大（单个器件功率可达5～25KW）等优点。3. 应注意的几点3.1 并联绕组问题如今，平面干式变压器在低压大电流，超薄型DC/DC模块中得到广泛应用。随着输出电压越来越低，而输出电流越来越高，常采用并联多层结构来减小绕组损耗。但是，在并联绕组层中存在着电流分布不平衡现象[2]，导致并联绕组层的效果大大减弱。引起这种不平衡电流均流的主要原因是并联层形成的回路的漏磁通，而漏磁通又依赖于绕组分布和并联层间的空间距离。影响电流均流的因素有：（1）频率：频率越高，每并联层的不平衡电流越大，导致大的环流，从而增加了交流绕组损耗；（2）绕组分布：绕组分布不但影响交流阻抗和干式变压器漏电感，而且也大大影响并联层间的电流均流。使用对称隔层插入绕组的方法（P-S-S-P-P-S-S-P）可以让原边和二次绕组的并联层均流，大大减小了交流阻抗，从而降低了交流损耗。与不对称隔层插入绕组的方法（P-S-P-S-P-S-P-S）相比，在一定频率范围内，交流损耗要低，而该临界频率依赖于铜片厚度和绕组分布；（3）并联层空间距离：减小空间距离能显著降低漏磁通的数量，但也不可避免地增大了绕组的寄生电容和原次边绕组间的盘绕电容。因此，并联层空间距离应折衷选择。总之，影响电流均流和交流绕组损耗的主要因素有工作频率，绕组分布和绝缘体厚度三个方面。一般地，次边绕组夹在原边绕组的分布方法能有效地平衡电流均流，从而减小交流阻抗。但对称隔层插入绕组的方法在临界频率内能非常有效地解决电流均流不平衡现象。3.2 铁芯的较小化设计问题3.2.1 磁芯损耗模型干式变压器的铁损主要由磁滞和涡流效应导致，磁滞损耗一般认为是由磁材料的磁畴运动及摩擦而导致的。磁滞损耗与频率成正比，而涡流损耗与频率的平方成正比。单位体积的磁损耗功率密度为：其中k为损耗系数，B为磁感应强度峰－峰值，f为磁场交变频率，k、m、n与磁材料的特性有关，可从磁材料供应商给出的损耗曲线得出。3.2.2 绕组损耗模型在高频应用时，为了减少铜损和提高电流容量，绕组导体通常采用扁平状铜片，而且每层只有一圈导体，这样可使电流沿导体的宽度方向分布，减少由于趋肤效应所导致的损耗，另外也有利于减少干式变压器的整体高度。如果忽略各层导体连接点的影响，对于匝数为N的绕组，其直流电阻为：其中tw，dw分别是导体厚度和绕组与磁芯之间的间隙。由于高频效应，绕组的电阻会有明显增大，绕组的交流电阻可表示为：RΩ=FrRd，其中Fr为交流与直流电阻之比，它与磁芯及绕组的几何尺寸和布置有关。基于Dowell关于干式变压器绕组交流电阻的计算模型[3]，可知在原负边绕组分开布置时其值为：其中：δ为频率为f时的趋肤厚度，N为从零漏磁场处开始算起的绕组层数。当干式变压器用于开关电源中时，流过绕组的电流波形并不是正弦波，含有高次谐波，因而仅仅考虑基波的影响是不够的。合适的做法应是先求得电流波形的谐波分量，然后分别求得对应的电流谐波分量的绕组损耗。对于周期性变化的绕组电流，其绕组总损耗模型为：其中 分别为绕组电流的n次谐波分量的有效值和频率为 时绕组的交流电阻。3.2.3 铁芯的较小化设计[4]较小磁芯体积的数学模型为：其中： 分别为磁芯的有效体积，磁材料的饱和磁感应强度和额定的干式变压器效率， 分别为磁芯的有效截面积和磁路长度。3.3 成本如何降低成本，应从以下几个方面考虑：● 设计：采用的原材料、结构形式对成本有决定性作用。● 工艺：尽量采用工模具和机械加工。● 减少生产的附加费用：包括设计选用的原材料和配件尽可能通用，减少种类和降低库存量，以及尽快缩短交货时间。3.4 使用原则平面干式变压器的使用主要有以下三个原则：● 根据输出电压的大小来选用相应型号的平面干式变压器；● 根据输出电流的大小来确定并联的平面干式变压器个数；● 根据输入输出电压的大小来确定变比和原边线圈的匝数。此外，实际应用中还需要知道平面干式变压器的变比，变比也可用下面公式进行计算：其中，K是系数，当平面干式变压器的输出是通过中心抽头时，K＝0.5；当平面干式变压器没有中心抽头时，K＝1。N是并联的平面干式变压器单元个数；P是平面干式变压器的原边匝数。4. 应用平面干式变压器从问世到现在短短的10多年间已经在通信、笔记本计算机、汽车电子、数码相机和数字化电视等方面得到了广泛的应用。如采用平面干式变压器制成的5～60W功率范围的DC-DC变换器，已应用于电信系统插卡式板上电源。由于汽车中特殊的电气和机械环境，对干式变压器设计和工艺提出更严格的要求。平面干式变压器应用于氙弧灯镇流器的DC-DC变换器，已经在中档轿车中使用。其次，宽带传输应用的平面干式变压器，也显示了良好的发展前景。除此以外，平面干式变压器的产品品种已涉及到常规的铁氧体磁芯干式变压器的各个方面，如功率干式变压器、带宽干式变压器和阻抗匹配变换器等。由于其一致性好、体积小等特性使其特别适用于在内部空间小，对节能和散热要求苛刻的电子设备中使用。在防、航空、航天等对重量和稳定性要求极高的领域，平面干式变压器的应用也将会给系统的小型化开拓一个崭新的局面。总之，小型化、平面化的电感铁氧体元件将更加引起人们应用的兴趣，相信在某些高技术领域里，平面干式变压器将很快取代传统干式变压器，并逐步实现规模化生产。5. 总结微型干式变压器的发展是当今电子、信息技术的需求，干式变压器的微型化是干式变压器技术发展的必然趋势。就目前来看，以铁氧体为磁芯的平面干式变压器体积小，功率密度大，是现在微型干式变压器的主流。以微制造技术的薄膜干式变压器正处于研制阶段，实际中推广应用，还是个别事例。随着电子技术的飞速发展，铁氧体平面干式变压器仍将在较大功率的模块电源中发挥主要作用。#p#分页标题#e#