平面變壓器的特性及設計

引言

　　平面變壓器只有一匝網狀次級繞組，這一匝繞組也不同于傳統的漆包線，而是一片銅皮，貼繞在多個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數，而且平面變壓器的輸出電流可以通過并聯進行擴充，以滿足設計的要求。因此，平面變壓器的特點就顯而易見了：平面繞組的緊密耦合使得漏感大大地減小;平面變壓器特殊的結構使得它的高度非常的低，這使變換器做在一個板上的設想得到實現。但是，平面結構存在很高的容性效應等問題，大大限制了它的大規模使用，不過，這些缺點在某些應用中，也有可能轉換為一種優點。另外，平面的磁芯結構增大了散熱面積，有利于變壓器散熱。

　　1插入技術

　　插入技術是指在布置變壓器原、副邊繞組時，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，同時使得電流平均分布，減小變壓器損耗。

　　現在插入技術的研究被分為兩個方面，即應用于變壓器的插入(正激電路)和應用于連接電感器的插入(反激電路)。因此，插入技術現在已經被放在不同的拓撲中作為不同的磁性部件來研究。

　　1.1 應用于平面變壓器的插入技術

　　應用于變壓器中的插入技術的主要優點如下：

　　1)使變壓器中磁性能量儲存的空間減少，導致漏感的減少;

　　2)使電流傳輸過程中在導體上理想分布，導致交流阻抗的減少;

　　3)繞組間更好的耦合作用，導致更低的漏感。

　　1.2在不同拓撲中平面變壓器的作用

　　在不同的拓撲中，磁性元件的作用也是不同的。在正激變換器中的變壓器，磁性能量在主開關管開通的時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”并不完全是一個變壓器，而是兩個連接的電感器。在反激拓撲中的“變壓器”在主開關管開通的時候初級繞組儲存能量，而在關閉的時候將能量傳送到次級繞組。因此，這種插入技術的優點同上面相比是不同的。應用于這種變壓器的插入技術的特點如下：

　　1)在磁芯中儲存的能量沒有減少，因為電流在某時刻只能在一個繞組中流動，并且沒有電流補償;

　　2)電流的分布并不理想，原因同上，因此交流阻抗也沒有減小;

　　3)插入使得繞組間產生較好的耦合，因此有比較小的漏感值。

　　1.3 多繞組變壓器中平面結構的優勢

　　平面變壓器另一個重要的優點是高度很低，這使得在磁芯上可以設置比較多的匝數。一個高功率密度的變換器需要一個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，如果是普通的變壓器將會造成體積和高度過大，影響電源的整體設計，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。而平面變壓器因為具有很好的耦合，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，平面變壓器的優點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合，使得在相鄰的匝數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導線或是直接用銅泊。扁平的幾何形狀降低了開關頻率較高時趨膚效應的損耗，也就是渦流損耗。因此，能最有效地利用銅導體的表面導電性能，效率要比傳統變壓器高得多。圖1給出了一個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。

　　為了說明插入技術的特征，圖4給出了應用3種不同插入技術的結構，P代表初級繞組，s代表次級繞組。試驗顯示SPSP結構是最好的，因為初級和次級的繞組都是間隔插人的。圖5顯示了在500 kHz時，3種結構的交流阻抗和漏感值，通過比較可以很容易地發現應用了插入技術的變壓器，交流阻抗和漏感值都有了很大的減少。