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平面变压器的特点及优点介绍
发布:2021-6-9

平面磁芯开发成功,可实现平面化的变压器设计。由于平面变压器要求磁芯、绕组是平面结构,所以应该采用多层PCB绕组。已有许多公司开发出了平面变压器,Pulse公司开发出了平面磁性元件,以色列佩顿公司Payton已开发了PlaneTIcs平面变压器,功率由5W到20KW、频率自20KHz到2MHz,效率通常可达98%,是电信、电焊机、计算机和外设、网络、医疗电子、工业控制、安全系统和电子设备的理想选择。


平面变压器与传统的变压器相比最大的区别在于铁芯及线圈绕组。平面变压器采用小尺寸的E型、RM型或环型铁氧体磁芯,通常是由高频功率铁氧体材料制成,在高频下有较低的磁芯损耗;绕组采用多层印刷电路板迭绕而成,绕组或铜片迭在平面的高频铁芯上构成变压器的磁回路。这种设计有低的直流铜阻、低的漏感和分布电容,可满足谐振电路的设计要求。而且由于磁芯良好的磁屏蔽,可抑制射频干扰。

 

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(1)高电流密度。平面变压器的导线实际上是一些平面的导体,因而电流密度大。

(2)高效率。效率可达98%~99%。

(3)低漏感。约为初级电感的0.2%。

(4)热传导好。热通道距离短,温升低。

(5)低EMI辐射。良好的磁芯屏蔽可使辐射降到很低。

(6)体积小。采用了小型磁芯可相应减小体积。

(7)参数可重复性好。因为绕组结构固定、容易预先加工,所以参数稳定。

(8)工作频率范围宽。频率可从50 kHz~2 MHz。

(9)工作温度范围宽。工作温度为-40 ℃~130 ℃。

(10)绝缘性好。平面变压器由导电电路与绝缘片互相重叠构成,从而保证绕组之间、初—次级及次—次级间可达4kV绝缘隔离。

 

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这种结构的变压器体积小,高度有8mm和12mm两种。绕线匝数大大少于传统的变压器,结构更紧凑,磁耦合大大优于传统的变压器,漏抗小于0.2%,所以它可以在更高的频率下工作,有利于电源转换效率的提高。紧密的磁芯的几何形状限制了热点的产生,降低了热耗,因此允许更高的能量密度。同时本身的散热条件大大优于传统的变压器。所以平面变压器的体积、重量大大降低,而效率更高。更重要的是,它为开关电源中开关变压器提供了一个通用的选择,省去了复杂的计算、选料和变压器绕制过程。它在简化和优化设计的,还同时缩小了体积,降低了成本。所以平面变压器非常适合应用在低压(1~60V 、大电流(30A/每磁芯)的开关电源或逆变电源的设计中,对变压器的拓扑结构没有限制。


平面变压器通常有2个或2个以上大小一样的柱状磁芯(图a)。现以2个磁芯的平面变压器为例介绍其结构。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(图b)。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,这里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;在另一个磁芯的一个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(图c)。

 

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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1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(1.4mH@500kHz,DC20A),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(图d)和散热板(使用中还要根据功率的大小加装散热板)。


1、PCB型变压器,印刷电路PCB型变压器可以省去绕组骨架,能增大散热面积,能够减小在高频工作时由集肤效应和邻近效应所引起的涡流损耗,也能够增大电流密度,其电流密度高可以达20A/mm,功率大,工艺简单。但用PCB,窗口利用率低,仅为0.25~0.3,传统变压器的窗口利用率为0.4,其体积也较大。PCB型变压器其功率可高达20kW,频率可达兆赫数量级。采用pulse的平面技术,多层PCB夹在磁芯之间,薄型高效铁氧体平面变压器,其底部面积小,高度只有7.4mm,工作频率为150~750kHz,工作温度为-400~1300。


2、薄膜型变压器,薄膜型变压器是一种用磁性薄膜研制的叠层微型变压器,采用薄膜后高度低于1mm,工作频率超过1MHz,其体积小,易于集成,但只适用于小功率情况。它们绝大多数采用金属磁性材料,如坡莫合金、铁硅铝和非晶合金。主要是因为它们有高BS和高磁导率。Tsuijimotl等人用带式(铜厚35μm,长34mm,宽3mm)加以绝缘膜(厚100μm),非晶CoNbZr膜(1.8μm)构成一种能在高频下输出电压可控的薄膜变压器--针孔型变压器,还制成了厚度为210μm的片式变压器。它是采用两层10μm厚的CoZr非晶薄膜做成的,用于5V、0.3A、1MHz的开关电源,77.5%铁氧体材料(以MnZn系为主)也可以制成薄膜型变压器,但用常规的方法很难制出合适的微型磁膜,故需开发新的成膜技术。目前国外主要采用PVD、CVD等沉积技术化学蚀刻,激光烧蚀法、光照射低温镀膜法等成膜技术。YamaguchiK等设计制作的微型变压器,其面积只有2.4mm&TImes;3.1mm,在10MHz时效率可达67%。


3、厚膜变压器,厚膜变压器是为了克服薄膜变压器中导体电阻大的缺陷而提出的。以氧化铝作基体,采用厚膜工艺,在其上、下表面各印制了初级和次级绕组,用铁氧体制作的平面变压器在2MHz,输出功率为75W时,效率达85%。厚膜工艺制造出的平面变压器效率一般较低,因此寻求更进一步的工艺技术以完善平面变压器制造的厚膜工艺是实现平面变压器高频集成化的关键。

 

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平面变压器与常规变压器相比,磁芯尺寸大幅度缩小,特别是高度缩小最大。这一特色对电源设备中在空间受到严格限制的场合下具有相当大的吸引力,从而可成为许多电源设备中首选的磁性元件。平面变压器结构上的优势,也为它的电气特性带来了许多优点:功率密度高,效率高,漏感低,散热性好,成本低等。

 

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(1)除了合理布局和控制电路采用了表面贴工艺来节省空间外,还采取了更有效的措施来避免传统体积较大的高频功率变压器占用有限的空间。

(2)工作环境温度高。相对于其它整流模块-25℃~+50℃的工作环境,

该模块能工作在-25℃~+70℃的环境中,以满足一些恶劣条件的需求。因此,正常工作时,模块内部温升会更加高,要求变压器能承受高温。

(3)该模块的EMI、杂音等指标要求高。要求有切实的措施来改进这些方面。

(4)模块体积小,效率高,间接要求模块的热损耗小。


鉴于以上的几点要求,结合平面变压器的优点,在变压器设计方案中优先考虑采用平面变压器。在结构体积很小的情况下,平面变压器的电流密度高,漏抗小,非常适合低电压大电流的开关电源。应该注意的是,由于常规变压器都是将圆柱形导线缠绕在铁氧体磁芯上,高频电流集中在导线表面的附近(趋肤效应),会降低有效传导性能。而在平面型变压器里,其“绕组”是做在敷铜印制电路板上的扁平传导导线。扁平的几何形状降低了开关频率较高时趋肤效应的损耗。因此,能最有效地利用铜导体的表面导电性能,效率要比传统的高。


文章来源:微信公众号“电子发烧友网”

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