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論平面變壓器在開關電源中的技術優勢 (1)

  

寻仙手游乾坤连招 www.jxyvo.icu 摘要:論平面變壓器在開關電源中的技術優勢 (1)
關鍵詞:平面變壓器;漏感;插入技術
Abstract:
Keyword:
磁性元件的設計是開關電源的重要部分,因為平面變壓器在提高開關電源的特性方面有著很大的優勢,因此近年來得到了廣泛的應用。對于一個理想的變壓器來說,初級線圈所產生的磁通都穿過次級線圈,即沒有漏磁通。而對普通變壓器來說,初級線圈所產生的磁通并非都穿過次級線圈,于是就產生了漏感,電磁耦合的緊密要求也無法滿足。而平面變壓器只有一匝網狀次級繞組,這一匝繞組也不同于傳統的漆包線,而是一片銅皮,貼繞在多個同樣大小的沖壓鐵氧體磁芯表面上。所以,平面變壓器的輸出電壓取決于磁芯的個數,而且平面變壓器的輸出電流可以通過并聯進行擴充,以滿足設計的要求。因此,平面變壓器的特點就顯而易見了:平面繞組的緊密耦合使得漏感大大地減??;平面變壓器特殊的結構使得它的高度非常的低,這使變換器做在一個板上的設想得到實現。但是,平面結構存在很高的容性效應等問題,大大限制了它的大規模使用,不過,這些缺點在某些應用中,也有可能轉換為一種優點。另外,平面的磁芯結構增大了散熱面積,有利于變壓器散熱。

  1 平面變壓器的特性研究

  如前所述,平面變壓器的優點主要集中在較低的漏感值和交流阻抗。繞組問的間隙越大意味著漏感越大,也就產生更高的能量損失。平面變壓器利用銅箔與電路板間的緊密結合,使得在相鄰的匝數層間的間隙非常的小,因此能量損耗也就很小了。

  在平面型變壓器里,其“繞組”是做在印制電路板上的扁平傳導導線或是直接用銅泊。扁平的幾何形狀降低了開關頻率較高時趨膚效應的損耗,也就是渦流損耗。因此,能最有效地利用銅導體的表面導電性能,效率要比傳統變壓器高得多。圖1給出了一個平面變壓器的剖面圖,并且利用兩層繞組間距離的不同,而獲得在不同間隙下的漏感和交流阻抗值。

  圖2與圖3給出了在不同的間隙下漏感和交流阻抗的變化,可以明顯地看出間隙越大,漏感越大,交流阻抗越小。在間隙增加1mm的狀況下漏感值增加了5倍之多。因此,在滿足電氣絕緣的情況下,應該選用最薄的絕緣體來獲得最小的漏感值。

 

  然而,容性效應在平面變壓器中是非常重要的,在印制電路板上緊密繞制的導線使得容性效應非常的明顯。而且絕緣材料的選取對容性值也有著非常大的影響,絕緣材料的介電常數越高,變壓器的容性值越高。而容性效應會引起EMI,因為從初級到次級的繞組中只有容性回路的繞組傳播這種干擾。為了驗證,筆者做了一個試驗,在銅導線的間隙增加O.2mm的情況下,而電容值就減少了20%。因此,如果需要一個比較低的電容值,則必須在漏感和電容值之間做出一個折中的選擇。

  2 插入技術

  插入技術是指在布置變壓器原、副邊繞組時,使原邊繞組與副邊繞組交替放置,增加原、副邊繞組的耦合以減小漏感,同時使得電流平均分布,減小變壓器損耗。

  現在插入技術的研究被分為兩個方面,即應用于變壓器的插入(正激電路)和應用于連接電感器的插入(反激電路)。因此,插入技術現在已經被放在不同的拓撲中作為不同的磁性部件來研究。

  2.1 應用于平面變壓器的插入技術

  應用于變壓器中的插入技術的主要優點如下:

  1)使變壓器中磁性能量儲存的空間減少,導致漏感的減少;

  2)使電流傳輸過程中在導體上理想分布,導致交流阻抗的減少;

  3)繞組間更好的耦合作用,導致更低的漏感。

  為了說明插入技術的特征,圖4給出了應用3種不同插入技術的結構,P代表初級繞組,s代表次級繞組。試驗顯示SPSP結構是最好的,因為初級和次級的繞組都是間隔插人的。圖5顯示了在500 kHz時,3種結構的交流阻抗和漏感值,通過比較可以很容易地發現應用了插入技術的變壓器,交流阻抗和漏感值都有了很大的減少。

 

2.2 多繞組變壓器中平面結構的優勢

  平面變壓器另一個重要的優點是高度很低,這使得在磁芯上可以設置比較多的匝數。一個高功率密度的變換器需要一個體積比較小的磁性元件,平面變壓器很好地滿足了這一要求。例如,在多繞組的變壓器中需要非常多的匝數,如果是普通的變壓器將會造成體積和高度過大,影響電源的整體設計,而平面變壓器則不存在這一問題。

  另外,對于多繞組的變壓器來說,繞組間保持很好的耦合非常重要。如果耦合不理想則漏感值增大,將會使得次級電壓的誤差增大。而平面變壓器因為具有很好的耦合,使得它成為最佳的選擇。

  2.3 在不同拓撲中平面變壓器的作用

  在不同的拓撲中,磁性元件的作用也是不同的。在正激變換器中的變壓器,磁性能量在主開關管開通的時候由初級繞組傳遞到次級繞組中。然而,在反激變換器中的“變壓器”并不完全是一個變壓器,而是兩個連接的電感器。在反激拓撲中的“變壓器”在主開關管開通的時候初級繞組儲存能量,而在關閉的時候將能量傳送到次級繞組。因此,這種插入技術的優點同上面相比是不同的。應用于這種變壓器的插入技術的特點如下:

  1)在磁芯中儲存的能量沒有減少,因為電流在某時刻只能在一個繞組中流動,并且沒有電流補償;

  2)電流的分布并不理想,原因同上,因此交流阻抗也沒有減??;

  3)插入使得繞組間產生較好的耦合,因此有比較小的漏感值。

  3 平面變壓器的標準化設計

  平面變壓器的優點如上所述,同樣它也有缺點,其最主要的缺點就是設計的過程非常復雜,而且設計成本也非常高。

  下面介紹一種標準的設計平面變壓器的程序步驟[3];它通過提供一個標準的匝數模型的設計,使之能夠被使用于不同的平面變壓器中,從而使得設計過程大大簡化,費用大大降低。

  在雙面PCB板的每一層都是由一到多匝的繞組組成的,而且所有的層都保持著一樣的物理特性:即相同的形狀和相同的外部連接點。在有些多匝的層次中,這個外部連接點是不同匝數間的電氣連接點。如果有些層只有一匝,它也可以被印制在PCB的雙面來降低交流阻抗。使用銅箔直接印制在PCB板上來替代傳統的導線,即使在許多需要很多匝數的開關電源中,變壓器依舊能保持一個很小的體積,這便大大減小了整機的體積。具體的設計步奏和注意事項請參閱文獻[3]。圖6顯示了一個頂層的標準匝數設計的例子,它使用的是罐形(RM)磁芯。

  銅箔高度按照對應于最大開關頻率時的趨膚深度選取,這樣可以使銅箔的所有部分都成為電流通路,大大減少集膚效應的影響。因此,應該使每一種開關頻率對應于不同的銅箔高度。

  4 實驗論證

  為了比較平面變壓器和傳統變壓器,分別做了兩種變壓器的模型,一種使用平面結構并使用了插入技術,另一種使用銅線分別在初級和次級繞制而成。兩種變壓器都被運用于一個互補控制的半橋變換器中。兩個變壓器的參數如下:

  初級 12匝:

  次級兩個l匝的繞組(1:1中心抽頭)。

  傳統變壓器使用漆包線作為繞組,雖然在這些線圈中電流密度不盡相同,選擇電流密度小于7.5A/mm。

  平面變壓器初級繞組做成4層,有4個并列的次級。這個變壓器的最終結構如圖7所示。

  兩種變壓器都使用了同樣的磁芯RM10,比較了兩種變壓器的漏感,交流阻抗和占用的面積,結果列于表1。

 

  由表1可知,平面變壓器的漏感僅為傳統變壓器的1/5,交流阻抗也僅為l/3,由此可見這將大大提高變換器的工作特性。而且,由于結構的更加緊湊,使得可以使用更小的RM8磁芯。

  5 結語

  平面變壓器在減小漏感、交流阻抗等方面有著非常大的優點,并且因為體積的小巧使之成為一種非常好的磁性元件。給出了一種標準的設計平面變壓器的方法,使得設計平面變壓器變得更加容易,成本也將大大降低??梢栽ぜ?,平面變壓器將有著相當好的應用前景。

來源: 中國電源網


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