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平面变压器的特点和优点的介绍

发布时间:2021-09-29   浏览次数:96返回

平面磁芯的成功开发可以实现平板变压器的设计。由于平面变压器要求磁芯、绕组为平面结构,应采用多层PCB绕组。PlaneTIcs平面变压器功率从5W到20KW、频率从20KHz到2MHz效率高达98%是电信、电焊机、计算机和外设、网络、医疗电子、工业控制、安全系统和电子设备的理想选择。


平面变压器与传统变压器大区别在于铁芯和线圈绕组。平板变压器采用小型E型、 RM型或环形铁氧体磁芯,通常采用高频功率铁氧体材料制成,高频时磁芯损耗低;绕组由多层印刷电路板层叠而成,绕组或铜片层叠在平面高频铁芯上,形成变压器的磁回路。该设计具有低DC铜电阻、低漏电感和分布电容,能够满足谐振电路的设计要求。此外,由于磁芯的良好磁屏蔽,可以抑制射频干扰。


这种结构的变压器体积小,高度为8毫米和12毫米。绕组匝数比传统变压器少很多,结构更紧凑,磁耦合比传统变压器好很多,漏抗小于0.2%,因此可以在更高的频率下工作,有利于功率转换效率的提高。紧凑的磁芯几何结构限制了热点的产生,减少了热量消耗,从而实现了更高的能量密度。同时,它的散热条件比传统变压器好得多。因此,平面变压器的体积大大减小,效率更高。更重要的是,它为开关电源中的开关变压器提供了通用的选择,省去了复杂计算、材料选择和变压器绕组工艺。它不仅简化和优化了设计,而且降低了体积和成本。因此,平面变压器很适合低压(1 ~ 60V、大电流(30A/每磁芯)的开关电源或逆变电源的设计,对变压器的拓扑结构没有限制。


平面变压器通常有两个或两个以上相同尺寸的柱状铁芯。以双磁芯平面变压器的结构为例进行了介绍。对角线上每个磁芯柱的两个角由铜皮连接,铜皮穿过磁芯柱时紧贴磁芯内壁。两个磁芯并排放置,相邻两角焊接铜皮,磁芯外侧两个角上的铜皮用铜皮焊接在一起,这是平面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变压器次级线圈的两端。


这基本上构成了平面变压器的主要部分。它的次级线圈只有1匝,可以有一个中心抽头。一个完整的平面变压器也有一个预设的储能电感(1.4mH@500kHz,DC20A),一端始终与中心抽头相连,在上、下方有一个固定的铜板,将磁芯和滤波电感夹在中间,同时作为整流电源的两极和散热板(散热板要根据使用的功率大小来安装)。


1、PCB型变压器,印刷电路PCB型变压器在高频工作时,可以节省绕组骨架,增加散热面积,减少集肤效应和邻近效应带来的涡流损耗,同时还可以增加电流密度,电流密度高达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是0.4,体积也大。PCB型变压器功率可达20kW,频率可达兆赫数量级。采用脉冲平面技术,磁芯之间夹多层PCB。薄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150~750kHz,工作温度为400~1300。


2、薄膜变压器是由磁性薄膜制成的叠层微型变压器,采用薄膜后高度低于1毫米,工作频率高于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和高磁导率。利用胶带(铜厚35μm,长34mm,宽3mm)、绝缘膜(厚度100μm)和非晶CoNbZr膜(1.8μm)构建了高频输出电压可控的薄膜变压器——针孔变压器,并制作了厚度210μm的片式变压器。它由两层厚度为10μm的CoZr非晶薄膜制成,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PVD、CVD等沉积技术化学蚀刻,激光烧蚀法、光照射低温镀膜法等成膜技术。设计的微型变压器面积仅为2.4mm&TImes;3.1毫米,在10兆赫时效率可达67%。


3、针对厚膜变压器导体电阻大的缺点,提出了厚膜变压器以氧化铝为基体,采用厚膜技术,在其上、下表面分别印刷初级绕组和次级绕组,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75W。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。


与传统变压器相比,平面变压器的磁芯尺寸大大减小,尤其是高度减小幅度大。在空间受到严格限制的情况下,这一特性对电力设备很有吸引力,因此它可以成为许多电力设备中的首选磁性元件。平面变压器的结构优势也为其电气特性带来诸多优势:功率密度高、效率高、漏电感低、散热性好、成本低等。

(1)除了合理的布局和采用表面贴装技术节省空间的控制电路外,还采取了更有效的措施,避免传统的大型高频功率变压器占用有限的空间。

(2)工作环境温度高。与其他整流模块在-25℃ ~ +50℃的工作环境相比,该模块可以在-25℃ ~ +70℃的环境下工作,满足一些恶劣条件的要求。因此,在正常运行过程中,模块内部的温升会更高,这就要求变压器能够承受高温。

(3)模块对EMI、噪声等指标要求较高。需要采取切实可行的措施来改善这些方面。

(4)模块体积小,效率高,间接要求模块热损失小。


鉴于以上要求,结合平面变压器的优势,变压器设计方案中优先考虑平面变压器。在结构较小的情况下,平面变压器电流密度高,漏抗小,适合低电压大电流的开关电源。需要注意的是,由于常规变压器都是在铁氧体磁心上缠绕圆柱形导线,高频电流集中在导线表面附近(趋肤效应),会降低有效导电性能。在平面变压器中,“绕组”是制作在覆铜印刷电路板上的扁平传导导线。当开关频率较高时,扁平的几何形状减少了集肤效应的损失。因此,铜导体的表面导电性可以得到有效的利用,其效率高于传统导体。

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