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平面变压器的特性及标准化设计 0引言 磁性元件的设计是开关电源的重要部分，因为平面变压器在提高开关电源的特性 方面有着很大的优势，因此近年来得到了广泛的应用。对于一个理想的变压器来说，初级线 圈所产生的磁通都穿过次级线圈，即没有漏磁通。而对普通变压器来说，初级线圈所产生的 磁通并非都穿过次级线圈，于是就产生了漏感，电磁耦合的紧密要求也无法满足。而平面变 压器只有一匝网状次级绕组，这一匝绕组也不同于传统的漆包线，而是一片铜皮，贴绕在多 个同样大小的冲压铁氧体磁芯表面上。所以，平面变压器的输出电压取决于磁芯的个数，而 且平面变压器的输出电流可以通过并联进行扩充，以满足设计的要求。因此，平面变压器的 特点就显而易见了：平面绕组的紧密耦合使得漏感大大地减小；平面变压器特殊的结构使得 它的高度非常的低，这使变换器做在一个板上的设想得到实现。但是，平面结构存在很高的 容性效应等问题，大大限制了它的大规模使用，不过，这些缺点在某些应用中，也有可能转 换为一种优点。另外，平面的磁芯结构增大了散热面积，有利于变压器散热。 1插入技术 插入技术是指在布置变压器原、副边绕组时，使原边绕组与副边绕组交替放置， 增加原、副边绕组的耦合以减小漏感，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，即应用于变压器的插入（正激电路）和应 用于连接电感器的插入（反激电路）。因此，插入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。 1.1应用于平面变压器的插入技术 应用于变压器中的插入技术的主要优点如下： 1）使变压器中磁性能量储存的空间减少，导致漏感的减少； 2）使电流传输过程中在导体上理想分布，导致交流阻抗的减少； 3）绕组间更好的耦合作用，导致更低的漏感。 1. 2在不同拓扑中平面变压器的作用 在不同的拓扑中，磁性元件的作用也是不同的。在正激变换器中的变压器，磁性 能量在主开关管开通的时候由初级绕组传递到次级绕组中。然而，在反激变换器中的变压 器并不完全是一个变压器，而是两个连接的电感器。在反激拓扑中的变压器在主开关管 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。 1. 3多绕组变压器中平面结构的优势 平面变压器另一个重要的优点是高度很低，这使得在磁芯上可以设置比较多的匝 数。一个高功率密度的变换器需要一个体积比较小的磁性元件，平面变压器很好地满足了这 一要求。例如，在多绕组的变压器中需要非常多的匝数，如果是普通的变压器将会造成体积 和高度过大，影响电源的整体设计，而平面变压器则不存在这一问题。 另外，对于多绕组的变压器来说，绕组间保持很好的耦合非常重要。如果耦合不 理想则漏感值增大，将会使得次级电压的误差增大。而平面变压器因为具有很好的耦合，使 得它成为最佳的选择。 2平面变压器的特性研究 如前所述，平面变压器的优点主要集中在较低的漏感值和交流阻抗。绕组问的间 隙越大意味着漏感越大，也就产生更高的能量损失。平面变压器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得多。图1给出了一个平面变压 器的剖面图，并且利用两层绕组间距离的不同，而获得在不同间隙下的漏感和交流阻抗值。 图1 平面变压器的绕组间距的剖面图 图2与图3给出了在不同的间隙下漏感和交流阻抗的变化，可以明显地看出间隙 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 5倍之多。因此， 在满足电气绝缘的情况下，应该选用最薄的绝缘体来获得最小的漏感值。 匝间排i/mm 图2 在500kHz下不同匝间距下的漏感值 1.7 1.6 1.5 L4 1.3 L2 0.02 0.05 0J 0,4 ] 匝间距 图3 在500 kHz下不同匝间距下的交流阻抗 为了说明插入技术的特征，图4给出了应用3种不同插入技术的结构，P代表初 级绕组，s代表次级绕组。试验显示SPSP结构是最好的，因为初级和次级的绕组都是间隔 插人的。图5显示了在500 kHz时，3种结构的交流阻抗和漏感值，通过比较可以很容易 地发现应用了插入技术的变压器，交流阻抗和漏感值都有了很大的减少。 SPPSPSSPSPSP SPPS PSS