平面变压器

平面变压器与应用综述

Survey and application of the planar transformer

1.引言

高频、高功率密度的电源变换模块在电力电子设备中得到广泛的应用和发展。要提高变换器的功率密度，关键是降低磁性元件的体积和重量。一方面，从传统的电工磁理论考虑，对于一定的线圈窗口面积和铁芯横截面积，对最优结构，要求线圈回路和铁芯回路的长度最短，以减小铁芯总体积和线圈的平均长度；另一方面，从热设计理论考虑，最大化地增加磁性元件的散热表面积，且使从磁件热点到磁件表面积的热阻降低，从而提高功率密度。

变压器结构正经历三次更新换代。第一次是平面变压器，体积和重量比立体变压器(普通变压器)减少80%，已形成从5W至20KW，20KHZ至2MHZ的产品，效率典型值为98%。第二次是片式变压器，对低压大电流特别适用，高度(厚度)更进一步降低，电流可达100安以上，采用一个次级绕组多个磁芯组成，代替以前的一个磁芯多个绕组。多个磁芯的初级绕组串联，从而达到降压隔离的要求。内部温升比平面变压器低，只有10℃左右。可以装在额定温升更高的基板上工作。第三次是薄膜变压器，采用薄膜后高度低于1mm。工作频率超过1MHZ，达到10~100MHZ。由于采用集成电路工艺制造，成本并不增加。是直流开关电源变压器的最新发展方向。之所以强调"正经历"，是因为在现阶段，不同的应用范围和市场，从性能价格比出发，要求的变压器结构形式也不一样。立体变压器仍然大量使用。平面变压器已形成系列，正在推广。片式变压器处于个别和小批量生产阶段。薄膜变压器只是个别情况，仍处于研究开发阶段。

由此可见，铁氧体平面变压器将在未来的功率变换模块中发挥极为重要的作用，特别在较大功率模块中起的作用显得更为突出。

2.结构原理

平面变压器通常有2个或2个以上大小一样的柱状磁芯。现以2个磁芯的平面变压器为例介绍其结构，如图1所示。每个磁芯柱在对角线上的两角都用铜皮连接，铜皮在通过磁芯柱时紧贴磁芯内壁。两个磁芯并排放置，相邻的两角用铜皮焊接起来，在一个磁芯的一个外侧面上的两个角上的铜皮用一片铜皮焊接在一起，这就是平面变压器次级线圈的中心，如果在这里引出抽头，就是次级线圈的中心抽头；在另一个磁芯的外侧面上的两个角上的铜皮就是平面变压器次级线圈的两端。这样就基本构成一个平面变压器的主体部分。它的次级线圈只有一匝，而且可以带有中心抽头。一个完整的平面变压器还有一个预置的储能电感，它的一端常接在中心抽头上，上、下各有一片固定铜板，它们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。

由此可见，平面变压器是由铜质引线框和扁平的连续铜质螺旋线构成，代替了在常规铁氧体铁芯上绕制的磁性铜线，该螺旋线是在敷有铜箔的介质材料薄片上蚀刻而成，然后把他们叠积在扁平的高频铁氧体铁芯上，构成变压器磁路。然后，铁芯材料用小粒径环氧树脂粘合，以便使铁芯损耗最小，螺旋线叠层内的耐高温（130）绝缘材料确保了绕组之间的高度绝缘。

2.1 制造方式

2.1.1 绕线式

这种绕组方式与常规变压器的绕组方式一样，适合于高频、高压变压器的制造。

2.1.2 箔式

箔式绕组折叠式平面变压器首先采用铜箔作绕组，再折叠成多层线圈，线圈采用高频绞线绕制。用这种方法适合制作低电压、大电流平面变压器，其漏感很低。

2.1.3 多层印制电路板式

这种方式是采用印制板的制造工艺技术，用精密的薄铜片或若干蚀刻在绝缘薄片上的平面铜绕组在多层板上形成螺旋式线圈。它特别适合于制作高频、高压的中、小功率平面变压器。

2.2 特性

表1比较了常规变压器、压电陶瓷变压器和平面变压器的特性。下面就平面变压器的物理特性和电气特性分别说明[1]。

2.3 物理特性

平面变压器具有尺寸小的特色，通常在0.325英寸到0.750英寸之间，这对电源内部空间受到严格限制的场合具有相当大的吸引力。

平面变压器印制电路板结构意指着一旦把电路板元件设定为平面器件，那么继后生产过程中的变压器绕组

相互应具有精确的相同间距。因此允许用自动组装设备生产，可以大大提高每个器件的重复一致性、可靠性，避免了常规变压器手工绕制带来的不规则性和不稳定性。

总之，平面变压器由于多层制造过程采用机械加工而具有好的一致性；由于绕组的几何形状及其有关寄生特性限定在PCB制造公差之内而具有可重现性；由于能量密度高，适用于表面贴装方式组装而具有小型化特性。此外，平面变压器的性能一致性和可预测性使它们具有建模比常规变压器更简易的优点，这尤其适于用计算机辅助工程工具建模（如SPICE）。

2.4 电气特性

涡流效应是由邻近导体的交替磁场引起的边缘电流效应，趋肤效应就是当感应电流如感应磁场在圆导线中产生的电流，它们会集中在导线的外表面的一种现象，尤其是在较高频率下，涡流效应和趋肤效应尤为明显。结果导致总的载流面积小于整个导线面积，使AC阻抗大于DC阻抗，降低了有效传导性能，从而使得常规变压器中绕在铁氧体铁芯上的圆导线绕组的利用率得不到充分利用。然而，平面变压器的绕组是蚀刻在印制电路板上的铜箔层，虽然由于趋肤效应使得电流集中于铜箔层的外表层，但因为铜箔层较薄，所以电流实际上几乎流经了整个导线，较之常规变压器能够获得较高的效率和更小的体积。当变压器工作频率高于300KHz时，铜箔层的厚度等于趋肤厚度就足够了，这样还可以避免杂散电流引起的额外损耗。

平面变压器结构使寄生电抗（绕组间电容和漏感）最小，通常为初级电感的0.5%以下。低漏感是通过分离措施实现的，就是把初级绕组一部分置于叠层的顶部，另一部置于叠层的底部，然后在叠层两边均匀地夹入次级绕组。平面变压器低的杂散电容和漏感很有利于降低变压器输出电压的高频瞬时扰动。采用在介质片上叠积导电电路，这种结构还能使平面变压器的初级与次级和次级与次级之间达到很好的电绝缘，该变压器能适用宽范围的输入电压，并能按要求给出一个、二个或三个输出，它们也能满足或优于脱机转换器的性能要求。

总之，平面变压器由于其扁平绕组而具有高频率（1MHz）、高效率（98%～99%）、低损耗、低漏感等电气特性；由于导电电路与绝缘片相重迭构成，而具有好的绝缘性（初级到次级间可达4KV绝缘隔离）。此外，平面变压器还具有宽的工作温度范围(-40~130)，高电流密度（每层绕组最大电流可达200A）和功率大（单个器件功率可达5～25KW）等优点。

3. 应注意的几点

3.1 并联绕组问题

如今，平面变压器在低压大电流，超薄型DC/DC模块中得到广泛应用。随着输出电压越来越低，而输出电流越来越高，常采用并联多层结构来减小绕组损耗。但是，在并联绕组层中存在着电流分布不平衡现象[2]，导致并联绕组层的效果大大减弱。引起这种不平衡电流均流的主要原因是并联层形成的回路的漏磁通，而漏磁通又依赖于绕组分布和并联层间的空间距离。