1、簡介
近年來，隨著電力電子技術的發(fā)展和成熟，人們逐漸認識到磁性元件不僅僅是供電中的功能元件，其體積、重量、損耗在整機中也占有相當大的比例。據(jù)統(tǒng)計，磁性元件的重量一般占轉換器總重量的30%~40%，體積占總體積20%~30%，對于模塊化設計的高頻電源，磁性元件的體積、重量將占更高的比例。此外，磁性元件是影響電源輸出動態(tài)性能和輸出紋波的重要因素。因此，有必要提高開關電源的功率密度、效率和輸出質量，關鍵是增加磁性元件的功率密度，減小磁性元件的體積和重量。由于其特別的平面結構和繞組的緊密耦合，平面變壓[敏感詞]大減小高頻寄生參數(shù)，大大提高了開關電源的性能。因此，近年來在開關電源領域得到了廣泛的應用。總結了近年來發(fā)展起來的平面變壓器技術，并與傳統(tǒng)變壓器進行了比較，分析了平面變壓器在開關電源發(fā)展應用中的優(yōu)勢和前景。
2、平面變壓器的結構
變壓器是電源中的關鍵部件。傳統(tǒng)的繞線變壓器通常由鐵氧體磁芯和銅線圈組成，體積龐大，容易受到電磁干擾。平面變壓器與傳統(tǒng)繞線變壓器較大的區(qū)別在于鐵芯和線圈繞組。平面變壓器采用小型E型、 RM型或環(huán)型鐵氧體磁芯，通常采用高頻功率鐵氧體材料，高頻時磁芯損耗低。繞組由多層印刷電路板制成，然后堆疊在平面高頻磁芯上，形成變壓器的磁回路。該設計具有低DC銅電阻、低漏電感和分布電容，能夠滿足諧振電路的設計要求。此外，由于磁芯的良好磁屏蔽，可以抑制射頻干擾。而且平面變壓器原邊繞組的匝數(shù)通常只有幾匝，不僅有效減小了銅損和分布電容、電抗，還為繞組帶來了很多便利。由于磁芯由簡單的沖壓件組成，大大提高了性能的一致性，也減小了大批量生產的成本。從而有效地解決了體積大、頻率高的問題，為電源變換器輕型化、小型化提供了可能。
市面上有兩種平面變壓器鐵芯：有帶夾槽和無夾槽。帶夾槽鐵芯由廠家提供的夾板固定；樹脂粘接用于固定無夾槽鐵芯。帶夾槽鐵芯的變壓器適用于高溫上升場合，比較牢固；無夾槽鐵心的變壓器的高度低于帶夾槽的變壓器。設計師可以根據(jù)實際情況選擇鐵心，如果選擇無夾槽的鐵芯，注意樹脂不能粘在兩個鐵芯的結合面上，這樣鐵芯之間會有氣隙，樹脂要粘在鐵芯的外側。
3、平面變壓器的優(yōu)勢及發(fā)展現(xiàn)狀
與傳統(tǒng)繞線變壓器相比，平面變壓器具有許多優(yōu)點：
1）體積小，剖面低。由于平面變壓器采用鐵氧體磁芯，變壓器體積減小，高度一般都小于20mm。
2）高功率密度。由于平面變壓器的結構優(yōu)勢，其電氣特性得到改善，使其比傳統(tǒng)變壓器的功率密度高3倍。
3）高電壓、高電流。在平面變壓器中，導線實際上是平面導體，因此電流密度高，每層繞組更大的電流可以達到200A，次級升壓可達20kV以上。
4）高功率。單個設備功率可達0.5kW~25kW。
5）效率高。可達98%~99%。
6）低漏感。大約是初級電感的0.2%。
7）工作頻率范圍寬。它的頻率范圍是50kHz~2MHz。
8）工作溫度范圍寬。-40℃~130℃。
9）由于繞組結構固定且預先加工好，參數(shù)穩(wěn)定且重復特性好。
10）散熱性好。熱通道距離短，溫升低，散熱面積大，導熱效果好。
11）低EMI輻射。由于高效的磁芯屏蔽，可以抑制射頻干擾。
12）高絕緣性。繞組、初-次級和次-次級具有絕緣性高，初-次級絕緣隔離可達4kV。
13）良好的裝配性能。
鑒于技術參數(shù)的優(yōu)勢，平面變壓器可廣泛應用于筆記本電腦、數(shù)碼相機、數(shù)字化電視、通訊電源、汽車電子等領域。一臺200W的低高度平面變壓器只有14mm高，比傳統(tǒng)高頻產品體積更小重量更輕。因為它的寄生電抗很小。也就是說，繞組之間的電容和漏電感很小。因此效率高達97%，[敏感詞]工作頻率為2MHz，漏抗小于0.2%。目前，國外微型電子變壓器發(fā)展迅速，生產5mm×5mm×5mm的微型變壓器和厚度為0.2毫米的平面變壓器。國內少數(shù)外資企業(yè)已經有了這種封裝的微型電子變壓器，而國內企業(yè)還有待發(fā)展。由于汽車特別的電氣和機械環(huán)境，對變壓器的設計和工藝提出更嚴格的要求。平面變壓器已經用于中檔汽車。其次，用于寬帶傳輸?shù)钠矫孀儔浩饕诧@示出良好的發(fā)展前景。
4、平面變壓器的分類
從變壓器在開關電源中的位置上看，平面變壓器可分為獨立式平面變壓器和嵌入式平面變壓器。
獨立式平面變壓器由平面銅引線框或印制板銅線作為繞組電阻組成。精密銅引線框架或印刷繞組使設計規(guī)范比線繞變壓器更精準地滿足要求，器件之間的重復性水平也得到提高。
蝕刻的銅引線框架或印制型繞組堆疊在平面內，形成具有高頻鐵氧體磁芯的變壓器磁路。這種設計使它成為一種很低輪廓的變壓器元件。在平面設計中實現(xiàn)大截面積銅導體，使得高功率密度和大電流的設計更加容易。平面繞組和鐵氧體的高表面電容比使平面變壓器具有良好的散熱功能。
特別是在高工作頻率下，高轉換效率是平面變壓器的關鍵優(yōu)勢。在繞線變壓器中，效率與“趨膚效應”成反比，即當高頻電流通過圓柱形導體時，電子被迫從中間向邊緣集中在銅線表面，從而減小電流通過的導體的橫截面積。
從生產加工的角度來看，平面變壓器也優(yōu)于線繞變壓器。繞線變壓器通常需要手動操作來剝去繞線端部的涂料，然后進行焊接。然而，表面安裝端子通常可以形成在平面變壓器上壓制或蝕刻的銅片的端子處，從而提高組裝速度和可重復性并減少成本。
嵌入式變壓器采用DC/DC轉換器的電路板作為自身繞組，比獨立式的平面變壓器占用空間更小。然而，每組輸入/輸出電壓需要用不同的電路板來設計。而且對于嵌入式平面設計，由于蝕刻線圈需要使用多層電路板，所以整體成本較高。一些混合設計使用主板作為初級繞線，然后使用分離的小印刷電路板作為次級繞組來產生不同的輸出電壓。這種設計也很常見。
雖然嵌入式設計實現(xiàn)了高功率密度和良好的熱性能以節(jié)省空間，但對于許多應用，這些優(yōu)勢受到成本、缺乏靈活性和互換性的限制。然而，高生產量將在一定程度上抵消嵌入式設計的較高成本。
