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如何設(shè)計(jì)平面變壓器以提高開關(guān)電源特性

發(fā)布時間:2012-12-07 責(zé)任編輯:Lynnjiao

【導(dǎo)讀】磁性元件的設(shè)計(jì)是開關(guān)電源的重要部分,因?yàn)槠矫?a target="_blank" style="text-decoration:none;" >變壓器在提高開關(guān)電源的特性方面有著很大的優(yōu)勢,因此近年來得到了廣泛的應(yīng)用。對于一個理想的變壓器來說,初級線圈所產(chǎn)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(chǎn)生的磁通并非都穿過次級線圈,于是就產(chǎn)生了漏感,電磁耦合的緊密要求也無法滿足。

平面變壓器只有一匝網(wǎng)狀次級繞組,這一匝繞組也不同于傳統(tǒng)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(shù),而且平面變壓器的輸出電流可以通過并聯(lián)進(jìn)行擴(kuò)充,以滿足設(shè)計(jì)的要求。因此,平面變壓器的特點(diǎn)就顯而易見了:平面繞組的緊密耦合使得漏感大大地減小;平面變壓器特殊的結(jié)構(gòu)使得它的高度非常的低,這使變換器做在一個板上的設(shè)想得到實(shí)現(xiàn)。但是,平面結(jié)構(gòu)存在很高的容性效應(yīng)等問題,大大限制了它的大規(guī)模使用,不過,這些缺點(diǎn)在某些應(yīng)用中,也有可能轉(zhuǎn)換為一種優(yōu)點(diǎn)。另外,平面的磁芯結(jié)構(gòu)增大了散熱面積,有利于變壓器散熱。

平面變壓器的繞組間距的剖面圖
圖1:平面變壓器的繞組間距的剖面圖

平面變壓器的特性研究

如前所述,平面變壓器的優(yōu)點(diǎn)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(chǎn)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(jié)合,使得在相鄰的匝數(shù)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(dǎo)導(dǎo)線或是直接用銅泊。扁平的幾何形狀降低了開關(guān)頻率較高時趨膚效應(yīng)的損耗,也就是渦流損耗。因此,能最有效地利用銅導(dǎo)體的表面導(dǎo)電性能,效率要比傳統(tǒng)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。

在500kHz下不同匝間距下的漏感值
圖2:在500kHz下不同匝間距下的漏感值

在500kHz下不同匝間距下的交流阻抗
圖3:在500kHz下不同匝間距下的交流阻抗

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(yīng)該選用最薄的絕緣體來獲得最小的漏感值。

然而,容性效應(yīng)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(dǎo)線使得容性效應(yīng)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(shù)越高,變壓器的容性值越高。而容性效應(yīng)會引起EMI,因?yàn)閺某跫壍酱渭壍睦@組中只有容性回路的繞組傳播這種干擾。為了驗(yàn)證,筆者做了一個試驗(yàn),在銅導(dǎo)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。

插入技術(shù)

插入技術(shù)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(xiàn)在插入技術(shù)的研究被分為兩個方面,即應(yīng)用于變壓器的插入(正激電路)和應(yīng)用于連接電感器的插入(反激電路)。因此,插入技術(shù)現(xiàn)在已經(jīng)被放在不同的拓?fù)渲凶鳛椴煌拇判圆考硌芯俊?/p>

應(yīng)用于平面變壓器的插入技術(shù)

應(yīng)用于變壓器中的插入技術(shù)的主要優(yōu)點(diǎn)如下:

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1)使變壓器中磁性能量儲存的空間減少,導(dǎo)致漏感的減少;
2)使電流傳輸過程中在導(dǎo)體上理想分布,導(dǎo)致交流阻抗的減少;
3)繞組間更好的耦合作用,導(dǎo)致更低的漏感。

為了說明插入技術(shù)的特征,圖4給出了應(yīng)用3種不同插入技術(shù)的結(jié)構(gòu),P代表初級繞組,s代表次級繞組。試驗(yàn)顯示SPSP結(jié)構(gòu)是最好的,因?yàn)槌跫壓痛渭壍睦@組都是間隔插人的。圖5顯示了在500 kHz時,3種結(jié)構(gòu)的交流阻抗和漏感值,通過比較可以很容易地發(fā)現(xiàn)應(yīng)用了插入技術(shù)的變壓器,交流阻抗和漏感值都有了很大的減少。

運(yùn)用交叉技術(shù)的3種不同結(jié)構(gòu)
圖4:運(yùn)用交叉技術(shù)的3種不同結(jié)構(gòu)

在3種不同結(jié)構(gòu)下的阻抗和漏感的比較
圖5:在3種不同結(jié)構(gòu)下的阻抗和漏感的比較

多繞組變壓器中平面結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢

平面變壓器另一個重要的優(yōu)點(diǎn)是高度很低,這使得在磁芯上可以設(shè)置比較多的匝數(shù)。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(shù),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(shè)計(jì),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?yàn)榫哂泻芎玫鸟詈?,使得它成為最佳的選擇。

在不同拓?fù)渲衅矫孀儔浩鞯淖饔?/strong>

在不同的拓?fù)渲校判栽淖饔靡彩遣煌?。在正激變換器中的變壓器,磁性能量在主開關(guān)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[page]
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?fù)渲械?ldquo;變壓器”在主開關(guān)管開通的時候初級繞組儲存能量,而在關(guān)閉的時候?qū)⒛芰總魉偷酱渭壚@組。因此,這種插入技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)同上面相比是不同的。應(yīng)用于這種變壓器的插入技術(shù)的特點(diǎn)如下:

1)在磁芯中儲存的能量沒有減少,因?yàn)殡娏髟谀硶r刻只能在一個繞組中流動,并且沒有電流補(bǔ)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?。?br /> 3)插入使得繞組間產(chǎn)生較好的耦合,因此有比較小的漏感值。

平面變壓器的標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)

平面變壓器的優(yōu)點(diǎn)如上所述,同樣它也有缺點(diǎn),其最主要的缺點(diǎn)就是設(shè)計(jì)的過程非常復(fù)雜,而且設(shè)計(jì)成本也非常高。

下面介紹一種標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)計(jì)平面變壓器的程序步驟[3];它通過提供一個標(biāo)準(zhǔn)的匝數(shù)模型的設(shè)計(jì),使之能夠被使用于不同的平面變壓器中,從而使得設(shè)計(jì)過程大大簡化,費(fèi)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(diǎn)。在有些多匝的層次中,這個外部連接點(diǎn)是不同匝數(shù)間的電氣連接點(diǎn)。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(tǒng)的導(dǎo)線,即使在許多需要很多匝數(shù)的開關(guān)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(jī)的體積。具體的設(shè)計(jì)步奏和注意事項(xiàng)請參閱文獻(xiàn)[3]。

銅箔高度按照對應(yīng)于最大開關(guān)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(yīng)的影響。因此,應(yīng)該使每一種開關(guān)頻率對應(yīng)于不同的銅箔高度。

實(shí)驗(yàn)論證

為了比較平面變壓器和傳統(tǒng)變壓器,分別做了兩種變壓器的模型,一種使用平面結(jié)構(gòu)并使用了插入技術(shù),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(yùn)用于一個互補(bǔ)控制的半橋變換器中。兩個變壓器的參數(shù)如下:

初級 12匝:
次級兩個l匝的繞組(1:1中心抽頭)。

傳統(tǒng)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(jié)構(gòu)如圖6所示。

變壓器的插入繞組的結(jié)構(gòu)
圖6:變壓器的插入繞組的結(jié)構(gòu)

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(jié)果列于表1。

表1:兩種變壓器幾個參數(shù)的比較
兩種變壓器幾個參數(shù)的比較

由表1可知,平面變壓器的漏感僅為傳統(tǒng)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(jié)構(gòu)的更加緊湊,使得可以使用更小的RM8磁芯。

結(jié)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(yōu)點(diǎn),并且因?yàn)轶w積的小巧使之成為一種非常好的磁性元件。給出了一種標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)計(jì)平面變壓器的方法,使得設(shè)計(jì)平面變壓器變得更加容易,成本也將大大降低??梢灶A(yù)見,平面變壓器將有著相當(dāng)好的應(yīng)用前景。

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