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平面变压器发展和类型

发布时间:2021-09-17   浏览次数:96返回

平面变压器发展的必然性

由于涡流效应,磁性元件的线圈损耗在高工作频率和高电流下显著增加,这不仅降低了效率,而且增加了温升,这增加了热设计难度,并限制了开关功率转换器功率密度的进一步提高。因此,研究线圈损耗模型、设计技术、开发新的线圈结构来降低其损耗,也是电力电子高频磁技术重要的研究内容,是工业界迫切需要解决的问题。国外学术界和工业界对此进行了积极的研究,而国内对磁集成等高频磁技术进行了一定程度的研究,但对线圈技术的研究较少。

由于单线圈结构、散热特性和参数一致性差,传统的绕线式磁性元件已经不能满足开关电源高频化和低截面的发展趋势。低截面平面磁性元件克服了传统磁性元件的缺点,得到了广泛的应用。由于平面变压器的高功率密度和低窗口高度,以及较高的工作频率和电流,对线圈结构和设计技术提出了更高的要求,尤其是高频大电流应用。为了考虑高频涡流效应采用的并联线圈结构和载流面积,一些传统的线圈结构和设计方法不再适用。在平面变压器中,铜箔/PCB印刷电路板线圈被广泛使用。


平面变压器的类型

平面变压器分类:平面变压器根据设计和制造工艺的不同,可分为印刷电路板(PCB)型、厚膜型、薄膜型、亚微米型。

1. 印刷电路板(PCB)型

印刷电路板(PCB)型变压器可以节省绕组骨架,增加散热面积,减少高频运行时集肤效应和邻近效应引起的涡流损耗,增加电流密度,最高可达20A/mm,功率大,工艺简单。但是用PCB,窗口利用率低,只有0.25~0.3,而传统变压器的窗口利用率为0.4,体积也大。PCB变压器功率为20kW,频率为兆赫。采用脉冲平面技术,多层印刷电路板夹在磁芯之间,这种薄型而高效的铁氧体平面变压器底部面积小,高度只有7.4毫米,工作频率为150 ~ 750千赫,工作温度为-400~1300。

2. 厚膜型变压器

厚膜型变压器是为了克服薄膜变压器导体电阻大的缺点而提出的。以氧化铝为基体,采用厚膜技术,在上、下表面分别印刷一次绕组和二次绕组。由铁氧体制成的平面变压器在2MHz时的效率为85%,输出功率为75 W。采用厚膜技术制造的平面变压器效率普遍较低,因此寻求进一步的技术来提高平面变压器的厚膜技术是实现平面变压器高频集成化的关键。

3. 薄膜变压器

薄膜型变压器是利用磁性薄膜研制的一种叠层微型变压器。变压器高度小于1毫米,工作频率超过1兆赫。它体积小,易于集成,但仅适用于低功耗情况。它们大多使用金属磁性材料,如坡莫合金、铁硅铝和非晶合金。主要是因为它们具有高BS和高渗透性。Tsuijimotl等用胶带(铜厚35μm,长34mm,宽3mm)、绝缘膜(厚度100μm)和非晶CoNbZr膜(1.8μm)制作了高频输出电压可控的薄膜变压器——针孔型变压器,还制作了厚度210μm的片式变压器,由两层厚度10μm的CoZr非晶膜制成,用于频率为5V、 0.3A、 1MHz的开关电源77.5%的铁氧体材料(主要是MnZn系)也可以制成薄膜型变压器,但常规方法很难制成合适的微型磁性薄膜,因此有必要开发新的成膜技术。目前国外主要采用的沉积技术有PVD、 CVD和化学刻蚀、激光烧蚀、光照射和低温镀膜等。Yamaguchi K 等设计制造的微型变压器面积只有2.4mmx3.1mm,在10兆赫时效率可达67%。

4. 亚微米型变压器

采用化学方法合成了一种亚微米型变压器,并以低温(900℃)烧结的镍铬铁氧体为介电材料,Ag为内电极,采用流延和丝网印刷技术制备,它体积小,重量轻,易于集成,工艺简单。两种片式亚微米型变压器的尺寸分别为2.1厘米x2.1厘米x1毫米和8毫米x8毫米x1毫米,设计变比分别为6和4,工作频率为1~10MHz。亚微米型平面变压器结构新颖,改变了传统变压器的结构特点。变压器的一次绕组和二次绕组采用丝网印刷技术在铁氧体材料中烧制而成,其外观类似于表面贴装集成电路器件。亚微米型平面变压器的电气性能测试表明:(1)空载条件下,变压比随着输入电压的增大先增大后减小,在范围内达到最大值。此外,变压比随着输入信号频率的增加而增加。(2)在一定的输入频率和电压下,输出功率随着负载的增加先增大后减小,存在一个输出功率最大的负载电阻值。(3)在一定的输入电压和输出负载下,随着输入电压频率的增加,变压器的变压比逐渐增大,当输入电压频率高于某一临界值时,变压比基本保持不变。波形畸变程度随着输入电压频率的增加而减小。(4)在固定输入频率下,存在饱和负载电阻值。当负载电阻值小于饱和负载电阻值时,变压器的输出电压随着负载的增加而增加,但当负载电阻值大于饱和负载电阻值时,输出电压变化很小或基本保持不变。随着频率的增加,饱和荷载的阻抗值逐渐增大。当负载电阻值等于饱和负载电阻值时,变压器的变压比基本不随输入电压的变化而变化,但随着输入电压的增加,输入输出电压的波形畸变程度增大。

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