平面干式变压器在开关电源中的技术优势

高功率密度是开关电源的主要趋势。要做到这一点，需要提高磁性元件的功率密度。由于特殊的平面结构和绕组的紧密耦合，高频寄生参数大大降低，大大改善了开关电源的工作状态。因此近年来得到了广泛的应用。研究了几种不同的平面结构和绕组制造方法，介绍了一种设计平面干式变压器的标准方法，使设计过程更加简单，大大降低了设计成本。较后，对平面干式变压器和传统干式变压器的一些参数进行了比较，并给出了设计准则。漏感；插入技术介绍0磁性元件的设计是开关电源的重要组成部分。由于平面干式变压器在改善开关电源特性方面具有很大的优势，近年来得到了广泛的应用。对于理想的干式变压器，初级线圈产生的磁通量通过次级线圈，即没有漏磁通。但对于普通干式变压器来说，初级线圈产生的磁通量并没有全部通过次级线圈，导致漏电感，无法满足电磁耦合的严密性要求。而平面干式变压器只有一匝网状二次绕组，与传统漆包线不同，而是一片铜皮，贴在几个大小相同的冲压铁氧体磁芯表面。因此，平面干式变压器的输出电压取决于磁芯的数量，平面干式变压器的输出电流可以并联扩展以满足设计要求。因此，平面干式变压器的特点很明显：平面绕组的紧密耦合大大降低了漏电感；平面干式变压器的特殊结构使其高度非常低，这使得变压器在一块板上制造的想法成为现实。然而，平面结构存在电容效应大等问题，极大地限制了其大规模应用。然而，在某些应用中，这些缺点可能会转化为优点。此外，平面磁芯结构增加了散热面积，有利于干式变压器的散热。

1平面干式变压器的特性研究如上所述，平面干式变压器的优点主要集中在较低的漏电感和交流阻抗上。绕组之间的间隙越大，漏电感越大，能量损耗越高。平面干式变压器采用铜箔与电路板紧密结合，使得相邻匝层之间的间隙很小，所以能量损耗很小。在平面干式变压器中，“绕组”是在印刷电路板上制成的扁平导线，或者直接用铜固定。当开关频率高时，平坦的几何形状减少了集肤效应的损失，即涡流损失。因此，铜导体的表面导电性可以得到较有效的利用，效率远远高于传统的干式变压器。图1示出了平面干式变压器的截面图，并且通过利用两层绕组之间的距离差来获得不同间隙下的漏电感和交流阻抗值。

图2和图3显示了不同间隙下漏电感和交流阻抗的变化。可以清楚的看到，间隙越大，漏电感越大，交流阻抗越小。当间隙增加1mm时，漏电感增加5倍。因此，当电气绝缘满足时，应选择较薄的绝缘体，以获得较小的漏电感。

然而，电容效应在平面干式变压器中非常重要，印刷电路板上紧密缠绕的导线使得电容效应非常明显。而且绝缘材料的选择对电容值影响很大。绝缘材料的介电常数越高，干式变压器的电容值就越高。然而，电容效应会导致电磁干扰，因为只有电容环路的绕组会将这种干扰从初级绕组传播到次级绕组。为了验证，作者做了一个实验。当铜线之间的间隙增加0。2 mm时，电容减小

2插入技术插入技术是指在布置干式变压器的一次绕组和二次绕组时，一次绕组和二次绕组交替放置，以增加一次绕组和二次绕组之间的耦合，从而降低漏电感，同时电流分布均匀，降低干式变压器的损耗。目前，插入技术的研究分为两个方面，即应用于干式变压器的插入(正向电路)和应用于连接电感的插入(反激电路)。因此，插入技术被研究为不同拓扑中的不同磁性部件。2.1插入技术应用于平面干式变压器插入技术应用于干式变压器的主要优点如下：1)干式变压器中的磁能存储空间减小，导致漏电感减小；2)使电流在传输过程中理想地分布在导体上，导致交流阻抗降低；3)绕组之间更好的耦合导致更低的漏电感。为了说明插入技术的特点，图4显示了使用三种不同插入技术的结构，其中P代表初级绕组，S代表次级绕组。实验表明，SPSP结构是较好的，因为初级和次级绕组是间隔插入的。图5显示了三种结构在500千赫时的交流阻抗和漏电感值。通过比较，可以很容易地发现，采用插入技术的干式变压器的交流阻抗和漏电感值已经大大降低。

2.2多绕组干式变压器中平面结构的优点平面干式变压器的另一个重要优点是高度低，可以在磁芯上设置更多的匝数。高功率密度的变换器需要体积相对较小的磁性元件，平面干式变压器很好地满足了这一要求。例如，多绕组干式变压器需要多匝，会导致体积和高度过大，影响电源的整体设计，而平面干式变压器没有这个问题。此外，对于多绕组干式变压器，保持绕组之间的良好耦合非常重要。如果耦合不理想，漏感会增大，会增加二次电压的误差。平面干式变压器耦合性好，是较佳选择。2.3不同拓扑中平面干式变压器的作用不同拓扑中磁性元件的作用也不同。在正激变换器的干式变压器中，当主开关管接通时，磁能由初级绕组缠绕

组传递到次级绕组中。然而，在反激变换器中的“干式变压器”并不完全是一个干式变压器，而是两个连接的电感器。在反激拓扑中的“干式变压器”在主开关管开通的时候初级绕组储存能量，而在关闭的时候将能量传送到次级绕组。因此，这种插入技术的优点同上面相比是不同的。应用于这种干式变压器的插入技术的特点如下：  1)在磁芯中储存的能量没有减少，因为电流在某时刻只能在一个绕组中流动，并且没有电流补偿；  2)电流的分布并不理想，原因同上，因此交流阻抗也没有减小；  3)插入使得绕组间产生较好的耦合，因此有比较小的漏感值。3 平面干式变压器的标准化设计  平面干式变压器的优点如上所述，同样它也有缺点，其较主要的缺点就是设计的过程非常复杂，而且设计成本也非常高。  下面介绍一种标准的设计平面干式变压器的程序步骤[3];它通过提供一个标准的匝数模型的设计，使之能够被使用于不同的平面干式变压器中，从而使得设计过程大大简化，费用大大降低。  在双面PCB板的每一层都是由一到多匝的绕组组成的，而且所有的层都保持着一样的物理特性：即相同的形状和相同的外部连接点。在有些多匝的层次中，这个外部连接点是不同匝数间的电气连接点。如果有些层只有一匝，它也可以被印制在PCB的双面来降低交流阻抗。使用铜箔直接印制在PCB板上来替代传统的导线，即使在许多需要很多匝数的开关电源中，干式变压器依旧能保持一个很小的体积，这便大大减小了整机的体积。具体的设计步奏和注意事项请参阅文献[3]。图6显示了一个顶层的标准匝数设计的例子，它使用的是罐形(RM)磁芯。

  铜箔高度按照对应于较大开关频率时的趋肤深度选取，这样可以使铜箔的所有部分都成为电流通路，大大减少集肤效应的影响。因此，应该使每一种开关频率对应于不同的铜箔高度。

4 实验论证  为了比较平面干式变压器和传统干式变压器，分别做了两种干式变压器的模型，一种使用平面结构并使用了插入技术，另一种使用铜线分别在初级和次级绕制而成。两种干式变压器都被运用于一个互补控制的半桥变换器中。两个干式变压器的参数如下：  初级 12匝：  次级两个l匝的绕组(1：1中心抽头)。  传统干式变压器使用漆包线作为绕组，虽然在这些线圈中电流密度不尽相同，选择电流密度小于7.5A／mm。  平面干式变压器初级绕组做成4层，有4个并列的次级。这个干式变压器的较终结构如图7所示。

  两种干式变压器都使用了同样的磁芯RM10，比较了两种干式变压器的漏感，交流阻抗和占用的面积，结果列于表1。

  由表1可知，平面干式变压器的漏感仅为传统干式变压器的1／5，交流阻抗也仅为l／3，由此可见这将大大提高变换器的工作特性。而且，由于结构的更加紧凑，使得可以使用更小的RM8磁芯。 5 结语  平面干式变压器在减小漏感、交流阻抗等方面有着非常大的优点，并且因为体积的小巧使之成为一种非常好的磁性元件。给出了一种标准的设计平面干式变压器的方法，使得设计平面干式变压器变得更加容易，成本也将大大降低。可以预见，平面干式变压器将有着相当好的应用前景。