高頻平板變壓器的原理與設計

1 引言

　　變壓器一直是電源設備和裝置，縮小體積、提高功率密度、實現模塊化的一只攔路虎。雖然高頻變換技術引入電源后，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，而且它的發熱量，漏電感都不小。因此近幾年來，許多專家、學者、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成功，就使變壓器技術發生一個飛躍。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。所以用它來做當代計算機電源特別合適。

2 運行在高頻情況下常規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）原邊繞組產生的磁通應全部穿過副邊繞組，沒有任何 損失和泄漏。但實際上常規的變換變壓器不可能實現沒有任何損失和泄漏。原邊繞組產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導體中有它自己的電感，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。

　　當變壓器不通電（轉向脫離電源或開關處于關斷期間）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速度成正比。漏感產生過高的尖峰脈沖會損壞變換器中的功率器件并形成明顯的電磁干擾（EMI）。為了降低漏感產生的尖峰脈沖幅值Uspike，而在變換器電路中必須加入緩沖網絡。但緩沖網絡的加入，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。

　　圖1常規變換變壓器和平板變壓器示意圖

　　（a）常規變換變壓器（b）平板變壓器

　　（2）繞組間電容

　　當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生損耗。在給定的時間內，它充電和放電的次數愈多，損耗就愈大。

　　（3）趨膚效應

　　（4）鄰近效應

　　（5）局部過熱點

　　常規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，常規變換變壓器的工作頻率提高時，就必須相應地減小其磁通密度，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、趨膚效應和鄰近效應嚴重等不利因素在變換變壓器中都存在。

3 常規變換變壓器和平板變壓器比較

　　常規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）常規變換變壓器由于它的原邊繞組匝數多，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力。

　　（2）平板變壓器的頻率特性比常規變換變壓器好。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。所以它能實現高磁通密度，并能采用緊封裝來實現高功率密度。而常規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）平板變壓器技術能大幅度減小變壓器的生產成本和銷售價格。能使生產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后，其價格將會降低更多。

　　（6）平板變壓器的可＊性比常規變壓器高。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線仍能正常工作，而常規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品的功率有150W，300W，450W，750W，900W和1500W。

4 平板變壓器內部結構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。采用這種結構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只鐵氧磁芯用環氧樹脂粘接在一起，如圖2（b）所示。1付繞組鑲入每個磁芯內部，粘接在磁芯內表面和輸出端的拐角處，如圖2（a）所示。當繞組通過磁芯后，接著旋轉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。有關這種變壓器和磁芯的細節見參考文獻。