高頻平板變壓器的原理與設(shè)計

高頻平板變壓器的原理與設(shè)計[注]

摘要：運行在高頻的常規(guī)變換變壓器存在著漏電感大，匝間電容量大，趨膚效應(yīng)、鄰近效應(yīng)嚴重，磁芯有局部過熱點等問題。一種新型變壓器，高頻平板變壓器已開發(fā)出來，它能減小漏電感和匝間電容，能消除常規(guī)變壓器存在的磁芯局部過熱點，能使趨膚效應(yīng)、鄰近效應(yīng)等問題得以改善，它具有很高的功率密度、很高的效率、很低的電磁干擾和簡易價廉等優(yōu)點。

關(guān)鍵詞：平板變壓器原邊電感漏感趨膚效應(yīng)鄰近效應(yīng)

Principle and Design of High Frequency Flat Transformer

Abstract:While operating in high frequency, conventional transformers have many problems such as large leakage inductance and great inter? winding capacitance, skin and proximity effects and the single hot spot at the center of the core. A new type transformer, high frequency flat transformer, has been developed. This kind of transformers can eliminate the single hot spot effectively and greatly reduce the leakage inductance and inter? winding capacitance. The problems of skin effect and proximity effect have also been improved. It possesses many advantages including the high power transfer efficiency, high power density, cheap topology in simple structure and low electromagnetic interference.

Keywords: Flat Transformer， Primary inductance， Leakage inductance， Skin effect， Proximity effect

圖法分類號：TM433文獻標(biāo)識碼：A文章編號：0219?2713(2000)08?416?05

　　1引言

變壓器一直是電源設(shè)備和裝置，縮小體積、提高功率密度、實現(xiàn)模塊化的一只攔路虎。雖然高頻變換技術(shù)引入電源后，可以甩掉體積龐大的工頻變壓器，但還需使用鐵氧體磁芯的高頻變壓器。鐵氧體磁芯高頻變壓器的體積雖比工頻變壓器小，但離開模塊化的要求還相差很遠。它不但體積還嫌大，而且它的發(fā)熱量，漏電感都不小。因此近幾年來，許多專家、學(xué)者、工程師一直在研究解決這個問題的辦法。高頻平板變壓器的研制開發(fā)成功，就使變壓器技術(shù)發(fā)生一個飛躍。它不但能使變壓器的體積縮小很多，而且還能使變壓器內(nèi)部的溫升很低、漏電感很小，效率可做到99.6％，成本比一般同功率的變壓器低一半。它可用于單端正、反激，半橋，全橋和推挽變換器中作AC/DC和DC/DC變換器用。它對低電壓、大電流的變換器特別適用。所以用它來做當(dāng)代計算機電源特別合適。

2運行在高頻情況下常規(guī)變換變壓器存在的問題

（1）漏電感（簡稱漏感）

理想的變壓器（完全耦合的變壓器）原邊繞組產(chǎn)生的磁通應(yīng)全部穿過副邊繞組，沒有任何損失和泄漏。但實際上常規(guī)的變換變壓器不可能實現(xiàn)沒有任何損失和泄漏。原邊繞組產(chǎn)生的磁通不可能全部穿過副邊繞組。非耦合部分磁通就在繞組或?qū)w中有它自己的電感，存貯在這個“電感”中的能量不和主功率變壓器電路相耦合。這種電感我們稱之為“漏感”。理想變換器對絕緣的要求和為了要得到很低的電磁干擾（EMI）而需要很緊的電磁耦合以減小漏感的要求，是相互矛盾的。

當(dāng)變壓器不通電（轉(zhuǎn)向脫離電源或開關(guān)處于關(guān)斷期間）時，漏感存貯的能量要釋放出來形成明顯的噪音。在示波器上能看到此噪音的高頻尖峰脈沖波形。高頻尖峰脈沖波形的幅值Uspike和漏感Lleak與電流相對時間變化率的乘積成正比。即：

|Uspike|=Lleakdi/dt(1)

當(dāng)工作頻率升高，電流相對時間的變化率也就增加。漏感的影響將更嚴重。漏感的影響和變換器的開關(guān)速度成正比。漏感產(chǎn)生過高的尖峰脈沖會損壞變換

圖1常規(guī)變換變壓器和平板變壓器示意圖

(a)常規(guī)變換變壓器(b)平板變壓器

器中的功率器件并形成明顯的電磁干擾（EMI）。為了降低漏感產(chǎn)生的尖峰脈沖幅值Uspike，而在變換器電路中必須加入緩沖網(wǎng)絡(luò)。但緩沖網(wǎng)絡(luò)的加入，會增大變換器電路的損耗。使變換器電路隨工作頻率提高，損耗增加，效率降低。

（2）繞組間電容

當(dāng)變壓器的繞組是多層繞組時，則頂層繞組和底層繞組之間就有電位差。兩個導(dǎo)體之間有電位差，就存在電容。這個電容就稱為“繞組間電容”。當(dāng)工作在高頻時，這個電容會以驚人的速率進行充電和放電。電容充電和放電過程中會產(chǎn)生損耗。在給定的時間內(nèi)，它充電和放電的次數(shù)愈多，損耗就愈大。

(3)趨膚效應(yīng)（見前面黃健聰文章）

(4)鄰近效應(yīng)（見前面黃健聰文章）

（5）局部過熱點

常規(guī)的變換變壓器工作在高頻時，其磁芯中部會有局部過熱點。因此，為了減小熱效應(yīng)，常規(guī)變換變壓器的工作頻率提高時，就必須相應(yīng)地減小其磁通密度，增大其體積。這就使得無法用它去做高功率密度的電源。

對于低輸出電壓理想型變換器來說，它的降壓比是很高的。用常規(guī)變換變壓器時，通常1匝輸出繞組，大約需要32匝原邊繞組。這樣，原邊繞組就需多層布置，因而漏感和繞組間電容大、趨膚效應(yīng)和鄰近效應(yīng)嚴重等不利因素在變換變壓器中都存在。

3常規(guī)變換變壓器和平板變壓器比較

常規(guī)變換變壓器通常是由單磁芯多原邊繞組組成，而平板變壓器是由單匝（或幾匝）原邊繞組和多磁芯組成。這些磁芯都裝有單匝的副邊繞組并封裝成模塊，如圖1所示。

（1）常規(guī)變換變壓器由于它的原邊繞組匝數(shù)多，所以漏感比較大，而平板變壓器單匝（或幾匝）原邊繞組和單匝的副邊繞組耦合很緊，所以漏感很小。30A平板變壓器的漏感僅2.0nH。所以把它用在快速開關(guān)電路中時，不但損耗很小，而且還能減輕電路中其它部件承受的應(yīng)力。

（2）平板變壓器的頻率特性比常規(guī)變換變壓器好。平板變壓器可工作在（100～500）kHz頻率之間。（3）平板變壓器能直接緊貼底板固定，所以它的散熱條件很好。這種專用變壓器是一種體積很小而又具有很大表面積的元件。所以它不存在局部過熱點的問題。

（4）因為平板變壓器能改善熱耗散問題。所以它能實現(xiàn)高磁通密度，并能采用緊封裝來實現(xiàn)高功率密度。而常規(guī)變換變壓器是無法和它相比擬的。150W的平板變壓器模塊，它的體積為5.38(長)×1.60（寬）×1.17（高）立方厘米。

（5）平板變壓器技術(shù)能大幅度減小變壓器的生產(chǎn)成本和銷售價格。能使生產(chǎn)成本和銷售價格降低50％。因為它能減輕電路中其它部件承受的應(yīng)力，所以變換器電路中其它部件可采用低功率器件。由于平板變壓器的散熱條件很好，所以它可用很小的散熱器。再加上變壓器模塊批量化生產(chǎn)后，其價格將會降低更多。

（6）平板變壓器的可靠性比常規(guī)變壓器高。在平板變壓器中，即使有一磁芯損壞，平板變壓器中其余磁芯和并連的導(dǎo)線仍能正常工作，而常規(guī)變換變壓器只要有一處損壞，整個變壓器就無法正常工作。

目前平板變壓器模塊產(chǎn)品的功率有150W，300W，450W，750W，900W和1500W。

4平板變壓器內(nèi)部結(jié)構(gòu)及其電感的測量和計算方法

以上敘及用作變換變壓器的平板變壓器由若干個鐵氧磁芯做成。2個磁芯做變壓器，1個磁芯做電感。3個磁芯構(gòu)成1個變壓器/電感模塊。許多模塊可以連接在一起組成平板方陣變壓器。采用這種結(jié)構(gòu)的平板變壓器能解決變換變壓器工作在高頻時，其磁芯中部的局部過熱點問題。

1只變壓器模塊包含2只鐵氧體磁芯。變壓器模塊由1付正方形鐵氧磁芯組裝而成，2只鐵氧磁芯用環(huán)氧樹脂粘接在一起，如圖2（b）所示。1付繞組鑲?cè)朊總€磁芯內(nèi)部，粘接在磁芯內(nèi)表面和輸出端的拐角處，如圖2（a）所示。當(dāng)繞組通過磁芯后，接著旋轉(zhuǎn)180°往回繞。所以每一繞組的“始端”和“末端”都在磁芯的對向角落上。1只相似尺寸的電感加在模塊內(nèi)部變壓器部分的中心抽頭上。其突出的焊片接濾波電容器。有關(guān)這種變壓器和磁芯的細節(jié)見參考文獻。

變壓器副邊繞組的端子直接和共陰極肖特基整流器TO－228連接。這樣可以節(jié)省用戶在變壓器副

圖2平板變壓器的外形圖

(a)帶有簡單螺旋繞組的磁芯(b)雙磁芯粘接在一起的模塊

圖3模塊內(nèi)部電路的原理圖

圖4兩磁芯模塊FTI/CTI－Xx2A－1B/2B/3B（匝比4:1）

邊繞組上進行抽頭等組裝工作量。加上肖特基整流器導(dǎo)通時的正向壓降很低，所以整個電路的效率可做得很高。穿過變壓器的原邊繞組是后來加上的。變壓器的等效變換率由模塊數(shù)Ne和原邊繞組匝數(shù)Np乘積和1的比率來決定，即變換率是：（Ne×Np）：1。高的變換率可以通過增加原邊繞組匝數(shù)或增加模塊數(shù)來獲得。

平板變壓器可以使電源模塊化，它在分布式電源中應(yīng)用，其特點是其它變壓器無法和它比擬的。在市場上，它是大家公認的最小外形和允許用于最高電流密度的一種變壓器。

模塊內(nèi)部電路的原理圖如圖3所示。在圖中電感是接在變壓器次級繞組的中心抽頭和輸出端之間，這樣安排是為了節(jié)省組裝的工作量。

每一模塊漏感的最大值僅有4nH。漏感測量是用5塊，其整流器的輸出端被銅條短接，原邊繞組為3匝的模塊進行測量。這時測得的漏感是0.18μH。因為變壓器原邊電感等于1只模塊的漏感和模塊數(shù)及原邊匝數(shù)平方的乘積。它的數(shù)學(xué)表達式為：

Lp=Lmod×Ne×Np2（3）

式中Lp——變壓器原邊電感；

Lmod——1匝穿過1個模塊的漏感；

Ne——模塊數(shù)；

Np——原邊匝數(shù)。

公式（3）給出的原邊電感是當(dāng)副邊開路時測得的電感；而給出的漏感是當(dāng)副邊短路時測得的電感。

5塊具有3匝原邊繞組的半橋平板變壓器，它的變換比是9：1，代入上面數(shù)據(jù)可得：0.18μH=Lmod×5×9，因此1個模塊（2只方塊磁芯）的漏感是：

Lmod=0.18μH/(5×9)=180nH/45=4nH

對于具有2匝原邊繞組的5個模塊，其漏感可用公式（3）進行計算：

Lleak=Lmod×Ne×Np2(輸出端應(yīng)短路)

=4×5×22=80（nH）

因為它原邊的匝數(shù)很少，所以它的鄰近效應(yīng)是最小的。

磁路設(shè)計人員所關(guān)心的變壓器磁芯（雙磁芯組合）尺寸如下：

磁芯面積：0.68cm2；

磁路長度：2.8cm；

磁芯體積：2.0cm3。

模塊（雙磁芯組合）中變壓器單元電感的技術(shù)條件是：每一模塊每一正方形匝的電感最小值為10.0μH；漏感最大值為4nH。濾波電感單元和變壓器單元大小相似，也是3匝。允許通過電流的大小通常由外接整流器電流的額定值來決定。在30A時，濾波電感技術(shù)條件規(guī)定其電感最小值是2μH。

5平板變壓器原邊繞組的圖樣和模塊選擇步驟

平板變壓器原邊繞組的圖樣如圖4（匝比4：1），圖5（匝比8：1）所示。

FTI模塊選擇步驟：

（1）決定功率等級，輸出電壓和電流。例如：功率=750W，輸出電壓=5V，輸出電流=150A；

（2）決定要求的匝比，例如：8：1；

（3）選擇模塊類型，即由輸出電壓決定選FTI－12X2A－XX或FTI－12X4A－XX。當(dāng)輸出電壓在0～15V之間，用FTI－12X2A系列（2xfmr磁芯）；當(dāng)輸出電壓在16V～30V之間，用FTI－12X4A系列（4xfmr磁芯）。對于更高電壓，可按此比例增加磁芯數(shù)，如輸出電壓高到45V，就需用6磁芯模塊，而對于60V輸出電壓，就需用8磁芯模塊。

（4）按照功率等級和匝比來選定所需的模塊數(shù)。

例如：功率=600W，匝比n=8：1，輸出電壓UO=5V，輸出電流IO=150A，需選FTI－12X2A－1B或FTI－12X2A－5B的5個模塊。

（5）按照下面的公式計算原邊繞組匝數(shù)

M×N=n（4）

式中M——模塊數(shù)；

N——穿過模塊的原邊繞組匝數(shù)。

在本例中，M=5和匝比n=10，因此N=10/5=2匝。

（6）由原邊繞組電流來計算和選定導(dǎo)線尺寸。對平板變壓器來說，1A電流只需大約0.025mm2的導(dǎo)線就可以了（對常規(guī)變壓器來說，1安電流需0.25mm2的導(dǎo)線）。當(dāng)然，導(dǎo)線尺寸選大一點，可減小銅耗，使變壓器效率高一點。在本例中，功率為750W，輸出電壓為5V，半橋電路結(jié)構(gòu)，匝比n=10：1，加到變壓器上的交流輸入電壓近似為150V。通過原邊繞組的電流是750/150=5A，用1.25mm2導(dǎo)線就可以了。

（7）選擇合適的絕緣導(dǎo)線。電氣絕緣推薦采用聚四氟乙烯外皮的導(dǎo)線或三重絕緣導(dǎo)線。FTI系列模塊的原邊和副邊繞組之間墊有聚四氟乙烯襯墊。采用聚四氟乙烯外皮的導(dǎo)線和在原邊和副邊繞組之間墊上聚四氟乙烯襯墊就能使其擊穿電壓超出40000V。

6平板變壓器的編號含義

平板變壓器的兩種編號及其所表示的內(nèi)容如圖6（a）(FTI)及(b)(CTI)所示。說明如下：

（1）在CTI系列中，如需要中心抽頭，可選匝比一項中有“C”字的。例如3C=3＋3表示匝比為3：1的中心抽頭。

（2）在CTI系列中，變壓器的原副邊繞組和電感都按標(biāo)準(zhǔn)做在模塊中。而FTI系列，其變壓器的原邊繞組沒有安裝。使用時，用戶可按所需的匝比自行繞制。因為原邊繞組是標(biāo)準(zhǔn)的而且匝數(shù)又非常地少，所以繞制原邊繞組的方法是非常簡單的。原邊繞組要穿過所有模塊，并用足夠的匝數(shù)去獲得所需的匝比。

7結(jié)語

通過上述計算和分析可得出高頻平板變壓器的特點有：

（1）電流分配

典型的平板變壓器副邊繞組有若干個并聯(lián)的線圈。每一個副邊繞組都和同一個原邊繞組相耦合。所以，副邊繞組電流產(chǎn)生的安匝數(shù)和原邊繞組產(chǎn)生的安匝數(shù)相等（忽略勵磁電流）。這種特性對并聯(lián)整流電路特別有用。繞組電流分配均等，在并聯(lián)整流電路中就不需要均流電阻或加其它元件。

（2）很高的電流密度

平板變壓器有極好的溫升特性設(shè)計。因為這些特性，所以它能在很小的封裝內(nèi)達到很高的電流密度。

（3）高效率

調(diào)節(jié)漏電感，使它能具有很快的開關(guān)時間，很低的交叉損耗，就能使它達到很高的效率。這種變壓器副邊繞組和原邊繞組之間的匝間傳導(dǎo)損耗是很小的。

（4）高功率密度

因為平板變壓器元件的尺寸很小，它具有極好的溫度耗散特性，所以能和有關(guān)的半導(dǎo)體器件和電感緊密地封裝在一起，實現(xiàn)高功率密度。它的電流密度可做到30A/模塊。

圖5四磁芯模塊FTI/CTI－Xx4A－1B/2B/3B(匝比8：1)

圖6平板變壓器的兩種編號及其所示的內(nèi)容

（5）低成本

整個變壓器是由少量有關(guān)的廉價元件組成，加上組裝又很方便，所以變壓器的成本是很低的。

（6）節(jié)省和它連接的部件成本

由于它的漏電感很小，開關(guān)損耗很低，加在和它相連接部件上的應(yīng)力減少。因此和它連接的部件能使用成本較低的低功率定額的部件。

（7）極好的熱耗散特性

平板變壓器是具有高表面積體積比、很短的熱通道的小元件。有利于散熱。原邊和副邊繞組之間的匝間損耗很小。這種磁芯特有的幾何外形能有效地減小磁芯損耗。所以它能做到高磁通密度。它可在－40℃?130℃之間工作。

（8）低的泄漏電感

繞組和繞組之間的良好耦合，就能使繞組匝間的漏電感保持在最小值。輸出端到輔助部件的連線很短而且是緊裝配，所以繞組相互之間連線上的漏電感也是最小的。

（9）極好的高頻特性

在這之前，當(dāng)變壓器運行在高頻時會使開關(guān)損耗增大和使變壓器過熱。平板變壓器的出現(xiàn)，使這些問題得以解決。平板變壓器能設(shè)計為高頻變壓器，提供一種既經(jīng)濟又好的變壓器模塊。它可工作在100kHz～500kHz之間。

（10）結(jié)構(gòu)簡單

平板變壓器是由少量部件和最少的繞組構(gòu)成的，這種模塊在自動化裝配中特別適用。

（11）外形低

在平板變壓器中所用的磁芯是很小的，并能排列在平板的表面上。每一磁芯單元外形在8mm～25mm范圍內(nèi)。

（12）絕緣強度高

平板變壓器很容易按要求的絕緣層數(shù)、厚度進行絕緣。能按客戶對漏電距離的要求進行介電絕緣。原邊和副邊繞組之間的耐壓大于40000V。

[編者注]本刊今年1月出版的第1·2期合刊P.9上登出“高頻低造型電源變壓器的設(shè)計與應(yīng)用”一文，這里用“低造型”（Low?profile)一詞。該文刊出后收到關(guān)心本刊的學(xué)者來函，認為這種說法欠妥，他建議稱作“薄型”為好。本期發(fā)表的葉治政教授撰寫的文章稱為“平板（Flat）”變壓器，由于該名稱尚未確定，這里只好尊重作者的意見了。希望電源技術(shù)專家們給這種新型變壓器（電感器）賦予一個確切的名稱。