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平面变压器应用于开关电源的优越性分析

发布时间:2022-01-19   浏览次数:299返回

1、简介

近年来,随着电力电子技术的发展和成熟,人们逐渐认识到磁性元件不仅仅是供电中的功能元件,其体积、重量、损耗在整机中也占有相当大的比例。据统计,磁性元件的重量一般占转换器总重量的30%~40%,体积占总体积20%~30%,对于模块化设计的高频电源,磁性元件的体积、重量将占更高的比例。此外,磁性元件是影响电源输出动态性能和输出纹波的重要因素。因此,有必要提高开关电源的功率密度、效率和输出质量,关键是增加磁性元件的功率密度,减小磁性元件的体积和重量。由于其特别的平面结构和绕组的紧密耦合,平面变压器大大减小高频寄生参数,大大提高了开关电源的性能。因此,近年来在开关电源领域得到了广泛的应用。总结了近年来发展起来的平面变压器技术,并与传统变压器进行了比较,分析了平面变压器在开关电源发展应用中的优势和前景。


2、平面变压器的结构

变压器是电源中的关键部件。传统的绕线变压器通常由铁氧体磁芯和铜线圈组成,体积庞大,容易受到电磁干扰。平面变压器与传统绕线变压器较大的区别在于铁芯和线圈绕组。平面变压器采用小型E型、 RM型或环型铁氧体磁芯,通常采用高频功率铁氧体材料,高频时磁芯损耗低。绕组由多层印刷电路板制成,然后堆叠在平面高频磁芯上,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。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电容、电抗,还为绕组带来了很多便利。由于磁芯由简单的冲压件组成,大大提高了性能的一致性,也减小了大批量生产的成本。从而有效地解决了体积大、频率高的问题,为电源变换器轻型化、小型化提供了可能。

市面上有两种平面变压器铁芯:有带夹槽和无夹槽。带夹槽铁芯由厂家提供的夹板固定;树脂粘接用于固定无夹槽铁芯。带夹槽铁芯的变压器适用于高温上升场合,比较牢固;无夹槽铁心的变压器的高度低于带夹槽的变压器。设计师可以根据实际情况选择铁心,如果选择无夹槽的铁芯,注意树脂不能粘在两个铁芯的结合面上,这样铁芯之间会有气隙,树脂要粘在铁芯的外侧。


3、平面变压器的优势及发展现状

与传统绕线变压器相比,平面变压器具有许多优点:

1)体积小,剖面低。由于平面变压器采用铁氧体磁芯,变压器体积减小,高度一般都小于20mm。

2)高功率密度。由于平面变压器的结构优势,其电气特性得到改善,使其比传统变压器的功率密度高3倍。

3)高电压、高电流。在平面变压器中,导线实际上是平面导体,因此电流密度高,每层绕组更大的电流可以达到200A,次级升压可达20kV以上。

4)高功率。单个设备功率可达0.5kW~25kW。

5)效率高。可达98%~99%。

6)低漏感。大约是初级电感的0.2%。

7)工作频率范围宽。它的频率范围是50kHz~2MHz。

8)工作温度范围宽。-40℃~130℃。

9)由于绕组结构固定且预先加工好,参数稳定且重复特性好。

10)散热性好。热通道距离短,温升低,散热面积大,导热效果好。

11)低EMI辐射。由于高效的磁芯屏蔽,可以抑制射频干扰。

12)高绝缘性。绕组、初-次级和次-次级具有绝缘性高,初-次级绝缘隔离可达4kV。

13)良好的装配性能。

鉴于技术参数的优势,平面变压器可广泛应用于笔记本电脑、数码相机、数字化电视、通讯电源、汽车电子等领域。一台200W的低高度平面变压器只有14mm高,比传统高频产品体积更小重量更轻。因为它的寄生电抗很小。也就是说,绕组之间的电容和漏电感很小。因此效率高达97%,最高工作频率为2MHz,漏抗小于0.2%。目前,国外微型电子变压器发展迅速,生产5mm×5mm×5mm的微型变压器和厚度为0.2毫米的平面变压器。国内少数外资企业已经有了这种封装的微型电子变压器,而国内企业还有待发展。由于汽车特别的电气和机械环境,对变压器的设计和工艺提出更严格的要求。平面变压器已经用于中档汽车。其次,用于宽带传输的平面变压器也显示出良好的发展前景。


4、平面变压器的分类

从变压器在开关电源中的位置上看,平面变压器可分为独立式平面变压器和嵌入式平面变压器。

独立式平面变压器由平面铜引线框或印制板铜线作为绕组电阻组成。精密铜引线框架或印刷绕组使设计规范比线绕变压器更精准地满足要求,器件之间的重复性水平也得到提高。

蚀刻的铜引线框架或印制型绕组堆叠在平面内,形成具有高频铁氧体磁芯的变压器磁路。这种设计使它成为一种很低轮廓的变压器元件。在平面设计中实现大截面积铜导体,使得高功率密度和大电流的设计更加容易。平面绕组和铁氧体的高表面电容比使平面变压器具有良好的散热功能。

特别是在高工作频率下,高转换效率是平面变压器的关键优势。在绕线变压器中,效率与“趋肤效应”成反比,即当高频电流通过圆柱形导体时,电子被迫从中间向边缘集中在铜线表面,从而减小电流通过的导体的横截面积。

从生产加工的角度来看,平面变压器也优于线绕变压器。绕线变压器通常需要手动操作来剥去绕线端部的涂料,然后进行焊接。然而,表面安装端子通常可以形成在平面变压器上压制或蚀刻的铜片的端子处,从而提高组装速度和可重复性并减少成本。

嵌入式变压器采用DC/DC转换器的电路板作为自身绕组,比独立式的平面变压器占用空间更小。然而,每组输入/输出电压需要用不同的电路板来设计。而且对于嵌入式平面设计,由于蚀刻线圈需要使用多层电路板,所以整体成本较高。一些混合设计使用主板作为初级绕线,然后使用分离的小印刷电路板作为次级绕组来产生不同的输出电压。这种设计也很常见。

虽然嵌入式设计实现了高功率密度和良好的热性能以节省空间,但对于许多应用,这些优势受到成本、缺乏灵活性和互换性的限制。然而,高生产量将在一定程度上抵消嵌入式设计的较高成本。

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