分析高频平板变压器原理设计

　　1引言

　　变压器的功能主要有：电压变换；电流变换，阻抗变换；隔离；稳压（磁饱和变压器）；自耦变压器；高压变压器（干式和油浸式）等，变压器常用的铁芯形状一般有E型和C型铁芯，XED型，ED型CD型。因此近几年来，许多、学者、工程师一直在研究解决这个问题的办法。高频平板变压器的研制开发成功，就使变压器技术发生一个飞跃。它不但能使变压器的体积缩小很多，而且还能使变压器内部的温升很低、漏电感很小，效率可做到 99.6％，成本比一般同功率的变压器低一半。它可用于单端正、反激，半桥，全桥和推挽变换器中作AC/DC和DC/DC变换器用。它对低电压、大电流的变换器特别适用。所以用它来做当代计算机电源特别合适。

　　大部分的变压器均有固定的铁芯，其上绕有与二次的线圈。基于铁材的高导磁性，大部分磁通量局限在铁芯里，因此，两组线圈藉此可以获得相当高程度之磁耦合。在一些变压器中，线圈与铁芯二者间紧密地结合，其与二次电压的比值几乎与二者之线圈匝数比相同。因此，变压器之匝数比，一般可作为变压器升压或降压的参考指标。由于此项升压与降压的功能，使得变压器已成为现代化电力系统之一重要附属物，提升输电电压使得长途输送电力更为经济，至于降压变压器，它使得电力运用方面更加多元化，可以这样说，没有变压器，现代工业实无法达到目前发展的现况。

　　2运行在高频情况下常规变换变压器存在的问题

　　（1）漏电感（简称漏感）

　　漏电感，或漏感，（英文：Leakage inductance）是变压器中绕线与二次绕线的耦合系数[1]数值较小时，构成变压器的绕线的一部分不会有变压作用，而是与Choke Coil有等效成分所产生的。若绕线与二次绕线完全耦合（耦合系数k=1）为理想的变压器时，漏电感的数值为零。但一般变压器的耦合系数多为1以下，因为未完全耦合，所以绕线的一部分才会有电感的功能。在等效电路上，漏电感指的是与变压器的绕线或二次绕线与Choke Coil Le 以串联方式连接。 漏电感的定义有电气学会及工业会测量法的两种定义……这种电感我们称之为“漏感”。理想变换器对绝缘的要求和为了要得到很低的电磁干扰（EMI）而需要很紧的电磁耦合以减小漏感的要求，是相互矛盾的。

　　当变压器不通电（转向脱离电源或开关处于关断期间）时，漏感存贮的能量要释放出来形成明显的噪音。在示波器上能看到此噪音的高频尖峰脉冲波形。高频尖峰脉冲波形的幅值Uspike和漏感Lleak与电流相对时间变化率的乘积成正比。即：

　　|Uspike|=Lleakdi/dt（1）

　　当工作频率升高，电流相对时间的变化率也就增加。漏感的影响将更严重。漏感的影响和变换器的开关速度成正比。漏感产生过高的尖峰脉冲会损坏变换

　　图1常规变换变压器和平板变压器示意图

　　（a）常规变换变压器（b）平板变压器

　　器中的功率器件并形成明显的电磁干扰（EMI）。为了降低漏感产生的尖峰脉冲幅值Uspike，而在变换器电路中必须加入缓冲网络。但缓冲网络的加入，会增大变换器电路的损耗。使变换器电路随工作频率提高，损耗增加，效率降低。

　　（2）绕组间电容

　　当变压器的绕组是多层绕组时，则顶层绕组和底层绕组之间就有电位差。两个导体之间有电位差，就存在电容。电容充电和放电过程中会产生损耗。在给定的时间内，它充电和放电的次数愈多，损耗就愈大。

　　（3）趋肤效应

　　（4）邻近效应

　　（5）局部过热点

　　常规的变换变压器工作在高频时，其磁芯中部会有局部过热点。这就使得无法用它去做高功率密度的电源。

　　对于低输出电压理想型变换器来说，它的降压比是很高的。这样，原边绕组就需多层布置，因而漏感和绕组间电容大、趋肤效应和邻近效应严重等不利因素在变换变压器中都存在。

　　3常规变换变压器和平板变压器比较

　　平面变压器与传统的变压器相比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。

　　常规变换变压器通常是由单磁芯多原边绕组组成，而平板变压器是由单匝（或几匝）原边绕组和多磁芯组成。这些磁芯都装有单匝的副边绕组并封装成模块，如图1所示。

　　（1）常规变换变压器由于它的原边绕组匝数多，不但损耗很小，而且还能减轻电路中其它部件承受的应力。

　　（2）平板变压器的频率特性比常规变换变压器好。平板变压器可工作在（100～500）kHz频率之间。

　　（3）平板变压器能直接紧贴底板固定，所以它的散热条件很好。这种专用变压器是一种体积很小而又具有很大表面积的元件。所以它不存在局部过热点的问题。

　　（4）因为平板变压器能改善热耗散问题。所以它能实现高磁通密度，并能采用紧封装来实现高功率密度。而常规变换变压器是无法和它相比拟的。150W的平板变压器模块，它的体积为5.38（长）×1.60（宽）×1.17（高）立方厘米。

　　（5）平板变压器技术能大幅度减小变压器的生产成本和销售价格。由于平板变压器的散热条件很好，所以它可用很小的散热器。再加上变压器模块批量化生产后，其价格将会降低更多。

　　（6）平板变压器的可靠性比常规变压器高。在平板变压器中，即使有一磁芯损坏，平板变压器中其余磁芯和并连的导线仍能正常工作，而常规变换变压器只要有一处损坏，整个变压器就无法正常工作。

　　平面变压器与传统的变压器相比主要有以下特点：

　　（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、预先加工好，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4 kV绝缘隔离。

　　以上叙及用作变换变压器的平板变压器由若干个铁氧磁芯做成。2个磁芯做变压器，1个磁芯做电感。3个磁芯构成1个变压器/电感模块。许多模块可以连接在一起组成平板方阵变压器。采用这种结构的平板变压器能解决变换变压器工作在高频时，其磁芯中部的局部过热点问题。

　　典型的平板变压器副边绕组有若干个并联的线圈。每一个副边绕组都和同一个原边绕组相耦合。所以，副边绕组电流产生的安匝数和原边绕组产生的安匝数相等（忽略励磁电流）。这种特性对并联整流电路特别有用。绕组电流分配均等，在并联整流电路中就不需要均流电阻或加其它元件。

　　1只变压器模块包含2只铁氧体磁芯。变压器模块由1付正方形铁氧磁芯组装而成，2只铁氧磁芯用环氧树脂粘接在一起，如图2（b）所示。1只相似尺寸的电感加在模块内部变压器部分的中心抽头上。其突出的焊片接滤波电容器。有关这种变压器和磁芯的细节见参考文献。

　　变压器副边绕组的端子直接和共阴极肖特基整流器TO－228连接。这样可以节省用户在变压器副

　　图2平板变压器的外形图

图3模块内部电路的原理图

　　图4两磁芯模块FTI/CTI－Xx2A－1B/2B/3B（匝比4:1）

　　边绕组上进行抽头等组装工作量。加上肖特基整流器导通时的正向压降很低，所以整个电路的效率可做得很高。变压器的等效变换率由模块数Ne和原边绕组匝数Np乘积和1的比率来决定，即变换率是：（Ne×Np）：1。高的变换率可以通过增加原边绕组匝数或增加模块数来获得。

　　平板变压器可以使电源模块化，它在分布式电源中应用，其特点是其它变压器无法和它比拟的。在市场上，它是大家公认的外形和允许用于电流密度的一种变压器。

　　模块内部电路的原理图如图3所示。在图中电感是接在变压器次级绕组的中心抽头和输出端之间，这样安排是为了节省组装的工作量。

　　每一模块漏感的值仅有4nH。漏感测量是用5块，其整流器的输出端被铜条短接，原边绕组为3匝的模块进行测量。这时测得的漏感是0.18μH。因为变压器原边电感等于1只模块的漏感和模块数及原边匝数平方的乘积。它的数学表达式为：

　　Lp=Lmod×Ne×Np2（3）

　　式中Lp——变压器原边电感；

　　Lmod——1匝穿过1个模块的漏感；

　　Ne——模块数；

　　Np——原边匝数。

　　公式（3）给出的原边电感是当副边开路时测得的电感；而给出的漏感是当副边短路时测得的电感。

　　5块具有3匝原边绕组的半桥平板变压器，它的变换比是9：1，代入上面数据可得：0.18μH=Lmod×5×9，因此1个模块（2只方块磁芯）的漏感是：

　　Lmod=0.18μH/（5×9）=180nH/45=4nH

　　对于具有2匝原边绕组的5个模块，其漏感可用公式（3）进行计算：

　　Lleak=Lmod×Ne×Np2（输出端应短路）

　　=4×5×22=80（nH）

　　因为它原边的匝数很少，所以它的邻近效应是的。

　　磁路设计人员所关心的变压器磁芯（双磁芯组合）尺寸如下：

　　磁芯面积：0.68cm2；

　　磁路长度：2.8cm；

　　磁芯体积：2.0cm3。

　　模块（双磁芯组合）中变压器单元电感的技术条件是：也是3匝。允许通过电流的大小通常由外接整流器电流的额定值来决定。在30A时，滤波电感技术条件规定其电感值是2μH。

　　5平板变压器原边绕组的图样和模块选择步骤

　　平板变压器原边绕组的图样如图4（匝比4：1），图5（匝比8：1）所示。

　　FTI模块选择步骤：

　　（1）决定功率等级，输出电压和电流。例如：功率=750W，输出电压=5V，输出电流=150A；

　　（2）决定要求的匝比，例如：8：1；

　　（3）选择模块类型，即由输出电压决定选FTI－12X2A－XX或 FTI－12X4A－XX。当输出电压在0～15V之间，用FTI－12X2A系列（2xfmr磁芯）；当输出电压在16V～30V之间，用 FTI－12X4A系列（4xfmr磁芯）。

　　（4）按照功率等级和匝比来选定所需的模块数。

　　例如：功率=600W，匝比n=8：1，输出电压UO=5V，输出电流IO=150A，需选FTI－12X2A－1B或FTI－12X2A－5B的5个模块。

　　（5）按照下面的公式计算原边绕组匝数

　　M×N=n（4）

　　式中M——模块数；

　　N——穿过模块的原边绕组匝数。

　　在本例中，M=5和匝比n=10，因此N=10/5=2匝。

　　（6）由原边绕组电流来计算和选定导线尺寸。在本例中，功率为750W，输出电压为5V，半桥电路结构，匝比n=10：1，加到变压器上的交流输入电压近似为150V。通过原边绕组的电流是 750/150=5A，用1.25mm2导线就可以了。

　　（7）选择合适的绝缘导线。电气绝缘推荐采用聚四氟乙烯外皮的导线或三重绝缘导线。FTI系列模块的原边和副边绕组之间垫有聚四氟乙烯衬垫。采用聚四氟乙烯外皮的导线和在原边和副边绕组之间垫上聚四氟乙烯衬垫就能使其击穿电压超出40000V。

　　6平板变压器的编号含义

　　平板变压器的两种编号及其所表示的内容如图6（a）（FTI）及（b）（CTI）所示。说明如下：

　　（1）在CTI系列中，如需要中心抽头，可选匝比一项中有“C”字的。例如3C=3＋3表示匝比为3：1的中心抽头。

　　（2）在CTI系列中，变压器的原副边绕组和电感都按标准做在模块中。而 FTI系列，其变压器的原边绕组没有安装。因为原边绕组是标准的而且匝数又非常地少，所以绕制原边绕组的方法是非常简单的。原边绕组要穿过所有模块，并用足够的匝数去获得所需的匝比。

　　7结语

　　通过上述计算和分析可得出高频平板变压器的特点有：

　　（1）电流分配

　　典型的平板变压器副边绕组有若干个并联的线圈。这种特性对并联整流电路特别有用。绕组电流分配均等，在并联整流电路中就不需要均流电阻或加其它元件。

　　（2）很高的电流密度

　　平板变压器有极好的温升特性设计。因为这些特性，所以它能在很小的封装内达到很高的电流密度。

　　（3）高效率

　　调节漏电感，使它能具有很快的开关时间，就能使它达到很高的效率。这种变压器副边绕组和原边绕组之间的匝间传导损耗是很小的。

　　（4）高功率密度

　　因为平板变压器元件的尺寸很小，所以能和有关的半导体器件和电感紧密地封装在一起，实现高功率密度。它的电流密度可做到30A/模块。

　

图5四磁芯模块FTI/CTI－Xx4A－1B/2B/3B(匝比8：1)

 

　　图6平板变压器的两种编号及其所示的内容

　　（5）低成本

　　整个变压器是由少量有关的廉价元件组成，加上组装又很方便，所以变压器的成本是很低的。

　　（6）节省和它连接的部件成本

　　由于它的漏电感很小，开关损耗很低，加在和它相连接部件上的应力减少。因此和它连接的部件能使用成本较低的低功率定额的部件。

　　（7）极好的热耗散特性

　　平板变压器是具有高表面积体积比、很短的热通道的小元件。有利于散热。原边和副边绕组之间的匝间损耗很小。这种磁芯特有的几何外形能有效地减小磁芯损耗。所以它能做到高磁通密度。它可在－40℃130℃之间工作。

　　（8）低的泄漏电感

　　绕组和绕组之间的良好耦合，就能使绕组匝间的漏电感保持在值。输出端到辅助部件的连线很短而且是紧装配，所以绕组相互之间连线上的漏电感也是的。

　　（9）极好的高频特性

　　在这之前，当变压器运行在高频时会使开关损耗增大和使变压器过热。平板变压器能设计为高频变压器，提供一种既经济又好的变压器模块。它可工作在100kHz～500kHz之间。

　　（10）结构简单

　　平板变压器是由少量部件和少的绕组构成的，这种模块在自动化装配中特别适用。

　　（11）外形低

　　在平板变压器中所用的磁芯是很小的，并能排列在平板的表面上。每一磁芯单元外形在8mm～25mm范围内。

　　（12）绝缘强度高

　　平板变压器很容易按要求的绝缘层数、厚度进行绝缘。能按客户对漏电距离的要求进行介电绝缘。原边和副边绕组之间的耐压大于40000V。

  

参考文献:

[1]. 30A datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/30A_953528.html.