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平面变压器的结构原理与应用

发布时间:2021-12-29   浏览次数:85返回

如果要求输出与输入隔离,或者需要多组输出电压,则应在开关元件和整流元件之间使用开关隔离变压器,因此大多数变换器都有隔离变压器。目前,开关电源的发展趋势是效率更高、体积更小、重量更轻。然而传统的隔离变压器在效率、体积和重量等严重制约了开关电源的进一步发展。同时由于变压器涉及的主要参数包括电压、电流、频率、比值、温度、磁芯u值、漏抗、损耗、外形尺寸等,没有现成的变压器可以像其他电子元件一样选择,往往需要通过繁琐的计算来选择磁芯和绕组导线,而绕组绕制对变压器的性能也有很大的影响。此外,变压器的许多重要参数不易测量,给使用带来一定的盲目性,在频率响应、漏抗、体积和散热等方面也很难达到令人满意的效果。平面变压器在隔离变压器的多方面取得了重要突破。


目前国外很多电源产品都开始采用平面变压器技术,如蓄电池充电电源、通讯设备分布式电源、 UPS等。但国内隔离开关变压器在材料、工艺上与国外先进国家存在一定差距,阻碍了开关电源开关高频化和效率的提高,使开关电源产品停留在较低水平。平面变压器技术将为高频开关电源的设计和产品化提供有益的帮助。


传统变压器的绕组通常缠绕在匝数较多的磁芯上。但平面变压器(单元)只有一匝网状次级绕组,与传统漆包线的一匝绕组也不同,而是一块铜皮贴在几个相同尺寸的冲压铁氧体磁芯表面。因此平面变压器的输出电压取决于磁芯的数量,通过并联可以增大平面变压器的输出电流,满足设计要求。而且平面变压器原边绕组的匝数通常只有几匝,不仅有效减小了铜损和分布式电容、电抗,还为绕制带来了很多便利。由于磁芯由简单的冲压件组成,大大提高了性能的一致性,也减少了大批量生产的成本。


1、平面变压器的结构和性能

1.1 结构

平面变压器通常有两个或两个以上相同尺寸的圆柱形磁芯。现在,以2个磁芯的平面变压器为例,介绍其结构。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,相邻两个角焊接铜片,在磁芯的一个外侧两个角上的铜片用一块铜片焊接在一起,就是平面变压器次级线圈的中心,如果这里引出一个抽头,就是次级线圈的中心抽头;另一个磁芯外侧两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。它的次级线圈只有一匝,可以带有一个中心抽头。一台完整的平面变压器也有预设的储能电感(1.4μH @ 500 kHz,DC20A),其一端常接在中心抽头上,上部、下部各有一块固定铜板,将磁芯和滤波电感夹在中间,作为整流电源的两极和散热板(实际使用时,散热板应根据功率的大小安装)。

1.2 性能

这种结构的变压器体积小,高有8毫米和12毫米两种。绕线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。紧凑磁芯的几何形状限制了热点的产生,减少了热量消耗,从而允许更高的能量密度。同时,其自身的散热条件也比传统变压器好很多。因此,平面变压器的体积和重量大大减小,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一种通用的选择,省去了计算复杂、选材和变压器绕制工艺。它不仅简化和优化了设计,而且减小了体积,减少了成本。因此,平面变压器很适合低电压(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。


2、使用平面变压器

平面变压器的使用主要有以下三个原则:

(1)根据输出电压的大小选择相应型号的平面变压器;

(2)根据输出电流的大小确定并联平面变压器的数量;

(3)根据输入输出电压的大小确定变比和原边绕组的匝数。

例如,开关电源的输出电压为5V,输出电流为150A。选用5V系列平面变压器FTI-12×2A-XX。如果使用FTI-12×2A-1A,需要5个并联。如果使用FTI-12×2A-5A(实际上并联5个FTI-12×2A-1A构成),只需要1个。

此外,在实际应用中还需要了解平面变压器的变化和原边线圈的匝数。变比可通过以下公式计算:变比=K×N×P : 1

其中,K是系数。当平面变压器的输出是通过中心抽头时,K=0.5;当平面变压器没有中心抽头时,k=1。N是并联的平面变压器单元的数量。P是平面变压器原边匝数。

在上面的例子中,如果输出平面变压器使用中心抽头,输入DC电压为150伏,变比可以设置为10 : 1,那么原边匝数P=10/(0.5 × 5)=4。如果输入DC电压为300伏,变比可设置为201,原边匝数P=20/0.5×5=8。可以看出,平面变压器的原边绕组匝数通常很少。


3、结论

使用平面变压器后,开关频率为300kHz,转换效率大于95%,整个装置的体积和重量大大减小。由于平面变压器已经标准化、系列化、产品化,因此性能一致性好,使用很方便。

平面变压器改变了传统开关变换器中隔离开关变压器的设计思路,为设计人员提供了更方便、更良好的选择。

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