平面变压器的特性及设计

　　引言

　　平面变压器只有一匝网状次级绕组，这一匝绕组也不同于传统的漆包线，而是一片铜皮，贴绕在多个同样大小的冲压铁氧体磁芯表面上。所以，平面变压器的输出电压取决于磁芯的个数，而且平面变压器的输出电流可以通过并联进行扩充，以满足设计的要求。因此，平面变压器的特点就显而易见了：平面绕组的紧密耦合使得漏感大大地减小;平面变压器特殊的结构使得它的高度非常的低，这使变换器做在一个板上的设想得到实现。但是，平面结构存在很高的容性效应等问题，大大限制了它的大规模使用，不过，这些缺点在某些应用中，也有可能转换为一种优点。另外，平面的磁芯结构增大了散热面积，有利于变压器散热。

　　1插入技术

　　插入技术是指在布置变压器原、副边绕组时，使原边绕组与副边绕组交替放置，增加原、副边绕组的耦合以减小漏感，同时使得电流平均分布，减小变压器损耗。

　　现在插入技术的研究被分为两个方面，即应用于变压器的插入(正激电路)和应用于连接电感器的插入(反激电路)。因此，插入技术现在已经被放在不同的拓扑中作为不同的磁性部件来研究。

　　1.1 应用于平面变压器的插入技术

　　应用于变压器中的插入技术的主要优点如下：

　　1)使变压器中磁性能量储存的空间减少，导致漏感的减少;

　　2)使电流传输过程中在导体上理想分布，导致交流阻抗的减少;

　　3)绕组间更好的耦合作用，导致更低的漏感。

　　1.2在不同拓扑中平面变压器的作用

　　在不同的拓扑中，磁性元件的作用也是不同的。在正激变换器中的变压器，磁性能量在主开关管开通的时候由初级绕组传递到次级绕组中。然而，在反激变换器中的“变压器”并不完全是一个变压器，而是两个连接的电感器。在反激拓扑中的“变压器”在主开关管开通的时候初级绕组储存能量，而在关闭的时候将能量传送到次级绕组。因此，这种插入技术的优点同上面相比是不同的。应用于这种变压器的插入技术的特点如下：

　　1)在磁芯中储存的能量没有减少，因为电流在某时刻只能在一个绕组中流动，并且没有电流补偿;

　　2)电流的分布并不理想，原因同上，因此交流阻抗也没有减小;

　　3)插入使得绕组间产生较好的耦合，因此有比较小的漏感值。

　　1.3 多绕组变压器中平面结构的优势

　　平面变压器另一个重要的优点是高度很低，这使得在磁芯上可以设置比较多的匝数。一个高功率密度的变换器需要一个体积比较小的磁性元件，平面变压器很好地满足了这一要求。例如，在多绕组的变压器中需要非常多的匝数，如果是普通的变压器将会造成体积和高度过大，影响电源的整体设计，而平面变压器则不存在这一问题。

　　另外，对于多绕组的变压器来说，绕组间保持很好的耦合非常重要。如果耦合不理想则漏感值增大，将会使得次级电压的误差增大。而平面变压器因为具有很好的耦合，使得它成为最佳的选择。

　　2 平面变压器的特性研究

　　如前所述，平面变压器的优点主要集中在较低的漏感值和交流阻抗。绕组问的间隙越大意味着漏感越大，也就产生更高的能量损失。平面变压器利用铜箔与电路板间的紧密结合，使得在相邻的匝数层间的间隙非常的小，因此能量损耗也就很小了。

　　在平面型变压器里，其“绕组”是做在印制电路板上的扁平传导导线或是直接用铜泊。扁平的几何形状降低了开关频率较高时趋肤效应的损耗，也就是涡流损耗。因此，能最有效地利用铜导体的表面导电性能，效率要比传统变压器高得多。图1给出了一个平面变压器的剖面图，并且利用两层绕组间距离的不同，而获得在不同间隙下的漏感和交流阻抗值。

　　图2与图3给出了在不同的间隙下漏感和交流阻抗的变化，可以明显地看出间隙越大，漏感越大，交流阻抗越小。在间隙增加1mm的状况下漏感值增加了5倍之多。因此，在满足电气绝缘的情况下，应该选用最薄的绝缘体来获得最小的漏感值。

　　为了说明插入技术的特征，图4给出了应用3种不同插入技术的结构，P代表初级绕组，s代表次级绕组。试验显示SPSP结构是最好的，因为初级和次级的绕组都是间隔插人的。图5显示了在500 kHz时，3种结构的交流阻抗和漏感值，通过比较可以很容易地发现应用了插入技术的变压器，交流阻抗和漏感值都有了很大的减少。

　　然而，容性效应在平面变压器中是非常重要的，在印制电路板上紧密绕制的导线使得容性效应非常的明显。而且绝缘材料的选取对容性值也有着非常大的影响，绝缘材料的介电常数越高，变压器的容性值越高。而容性效应会引起EMI，因为从初级到次级的绕组中只有容性回路的绕组传播这种干扰。为了验证，笔者做了一个试验，在铜导线的间隙增加O.2mm的情况下，而电容值就减少了20%。因此，如果需要一个比较低的电容值，则必须在漏感和电容值之间做出一个折中的选择。