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上海蘇海電氣有限公司
主營產品： 個人保安接地線,ZC36高阻計,三相短路接地線,配電房安全工具柜 |
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2013-11-10 閱讀(1461)
高頻、高功率密度的電源變換模塊在電力電子設備中得到廣泛的應用和發展。要提高變換器的功率密度，關鍵是降低磁性元件的體積和重量。一方面，從傳統的電工磁理論考慮，對于一定的線圈窗口面積和鐵芯橫截面積，對*結構，要求線圈回路和鐵芯回路的長度zui短，以減小鐵芯總體積和線圈的平均長度；另一方面，從熱設計理論考慮，zui大化地增加磁性元件的散熱表面積，且使從磁件熱點到磁件表面積的熱阻降低，從而提高功率密度。
變壓器結構正經歷三次更新換代。*次是平面變壓器，體積和重量比立體變壓器（普通變壓器）減少80%，已形成從5W至20KW，20KHZ至2MHZ的產品，效率典型值為98%。第二次是片式變壓器，對低壓大電流特別適用，高度（厚度）更進一步降低，電流可達100安以上，采用一個次級繞組多個磁芯組成，代替以前的一個磁芯多個繞組。多個磁芯的初級繞組串聯，從而達到降壓隔離的要求。內部溫升比平面變壓器低，只有10℃左右。可以裝在額定溫升更高的基板上工作。第三次是薄膜變壓器，采用薄膜后高度低于1mm。工作頻率超過1MHZ，達到10~100MHZ。由于采用集成電路工藝制造，成本并不增加。是直流開關電源變壓器的發展方向。之所以強調"正經歷"，是因為在現階段，不同的應用范圍和市場，從性能價格比出發，要求的變壓器結構形式也不一樣。立體變壓器仍然大量使用。平面變壓器已形成系列，正在推廣。片式變壓器處于個別和小批量生產階段。薄膜變壓器只是個別情況，仍處于研究開發階段。
由此可見，鐵氧體平面變壓器將在未來的功率變換模塊中發揮極為重要的作用，特別在較大功率模塊中起的作用顯得更為突出。
2.結構原理
平面變壓器通常有2個或2個以上大小一樣的柱狀磁芯。現以2個磁芯的平面變壓器為例介紹其結構，如圖1所示。每個磁芯柱在對角線上的兩角都用銅皮連接，銅皮在通過磁芯柱時緊貼磁芯內壁。兩個磁芯并排放置，相鄰的兩角用銅皮焊接起來，在一個磁芯的一個外側面上的兩個角上的銅皮用一片銅皮焊接在一起，這就是平面變壓器次級線圈的中心，如果在這里引出抽頭，就是次級線圈的中心抽頭；在另一個磁芯的外側面上的兩個角上的銅皮就是平面變壓器次級線圈的兩端。這樣就基本構成一個平面變壓器的主體部分。它的次級線圈只有一匝，而且可以帶有中心抽頭。一個完整的平面變壓器還有一個預置的儲能電感，它的一端常接在中心抽頭上，上、下各有一片固定銅板，它們將磁芯和濾波電感夾在中間，同時作為整流電源的兩極和散熱板。
由此可見，平面變壓器是由銅質引線框和扁平的連續銅質螺旋線構成，代替了在常規鐵氧體鐵芯上繞制的磁性銅線，該螺旋線是在敷有銅箔的介質材料薄片上蝕刻而成，然后把他們疊積在扁平的高頻鐵氧體鐵芯上，構成變壓器磁路。然后，鐵芯材料用小粒徑環氧樹脂粘合，以便使鐵芯損耗zui小，螺旋線疊層內的耐高溫（130）絕緣材料確保了繞組之間的高度絕緣。
2.1制造方式
2.1.1繞線式
這種繞組方式與常規變壓器的繞組方式一樣，適合于高頻、高壓變壓器的制造。
2.1.2箔式
箔式繞組折疊式平面變壓器首先采用銅箔作繞組，再折疊成多層線圈，線圈采用高頻絞線繞制。用這種方法適合制作低電壓、大電流平面變壓器，其漏感很低。
2.1.3多層印制電路板式
這種方式是采用印制板的制造工藝技術，用精密的薄銅片或若干蝕刻在絕緣薄片上的平面銅繞組在多層板上形成螺旋式線圈。它特別適合于制作高頻、高壓的中、小功率平面變壓器。
2.2特性
表1比較了常規變壓器、壓電陶瓷變壓器和平面變壓器的特性。下面就平面變壓器的物理特性和電氣特性分別說明[1]。
2.3物理特性
平面變壓器具有尺寸小的特色，通常在0.325英寸到0.750英寸之間，這對電源內部空間受到嚴格限制的場合具有相當大的吸引力。
平面變壓器印制電路板結構意指著一旦把電路板元件設定為平面器件，那么繼后生產過程中的變壓器繞組相互應具有的相同間距。因此允許用自動組裝設備生產，可以大大提高每個器件的重復一致性、可靠性，避免了常規變壓器手工繞制帶來的不規則性和不穩定性。
總之，平面變壓器由于多層制造過程采用機械加工而具有好的一致性；由于繞組的幾何形狀及其有關寄生特性限定在PCB制造公差之內而具有可重現性；由于能量密度高，適用于表面貼裝方式組裝而具有小型化特性。此外，平面變壓器的性能一致性和可預測性使它們具有建模比常規變壓器更簡易的優點，這尤其適于用計算機輔助工程工具建模（如SPICE）。
2.4電氣特性
渦流效應是由鄰近導體的交替磁場引起的邊緣電流效應，趨膚效應就是當感應電流如感應磁場在圓導線中產生的電流，它們會集中在導線的外表面的一種現象，尤其是在較高頻率下，渦流效應和趨膚效應尤為明顯。結果導致總的載流面積小于整個導線面積，使AC阻抗大于DC阻抗，降低了有效傳導性能，從而使得常規變壓器中繞在鐵氧體鐵芯上的圓導線繞組的利用率得不到充分利用。然而，平面變壓器的繞組是蝕刻在印制電路板上的銅箔層，雖然由于趨膚效應使得電流集中于銅箔層的外表層，但因為銅箔層較薄，所以電流實際上幾乎流經了整個導線，較之常規變壓器能夠獲得較高的效率和更小的體積。當變壓器工作頻率高于300KHz時，銅箔層的厚度等于趨膚厚度就足夠了，這樣還可以避免雜散電流引起的額外損耗。
平面變壓器結構使寄生電抗（繞組間電容和漏感）zui小，通常為初級電感的0.5%以下。低漏感是通過分離措施實現的，就是把初級繞組一部分置于疊層的頂部，另一部置于疊層的底部，然后在疊層兩邊均勻地夾入次級繞組。平面變壓器低的雜散電容和漏感很有利于降低變壓器輸出電壓的高頻瞬時擾動。采用在介質片上疊積導電電路，這種結構還能使平面變壓器的初級與次級和次級與次級之間達到很好的電絕緣，該變壓器能適用寬范圍的輸入電壓，并能按要求給出一個、二個或三個輸出，它們也能滿足或優于脫機轉換器的性能要求。
總之，平面變壓器由于其扁平繞組而具有高頻率（1MHz）、率（98%～99%）、低損耗、低漏感等電氣特性；由于導電電路與絕緣片相重迭構成，而具有好的絕緣性（初級到次級間可達4KV絕緣隔離）。此外，平面變壓器還具有寬的工作溫度范圍（-40~130），高電流密度（每層繞組zui大電流可達200A）和功率大（單個器件功率可達5～25KW）等優點。
3.應注意的幾點
3.1并聯繞組問題
如今，平面變壓器在低壓大電流，超薄型DC/DC模塊中得到廣泛應用。隨著輸出電壓越來越低，而輸出電流越來越高，常采用并聯多層結構來減小繞組損耗。但是，在并聯繞組層中存在著電流分布不平衡現象[2]，導致并聯繞組層的效果大大減弱。引起這種不平衡電流均流的主要原因是并聯層形成的回路的漏磁通，而漏磁通又依賴于繞組分布和并聯層間的空間距離。
影響電流均流的因素有：
（1）頻率：頻率越高，每并聯層的不平衡電流越大，導致大的環流，從而增加了交流繞組損耗；
（2）繞組分布：繞組分布不但影響交流阻抗和變壓器漏電感，而且也大大影響并聯層間的電流均流。使用對稱隔層插入繞組的方法（P-S-S-P-P-S-S-P）可以讓原邊和二次繞組的并聯層均流，大大減小了交流阻抗，從而降低了交流損耗。與不對稱隔層插入繞組的方法（P-S-P-S-P-S-P-S）相比，在一定頻率范圍內，交流損耗要低，而該臨界頻率依賴于銅片厚度和繞組分布；
（3）并聯層空間距離：減小空間距離能顯著降低漏磁通的數量，但也不可避免地增大了繞組的寄生電容和原次邊繞組間的盤繞電容。因此，并聯層空間距離應折衷選擇。
總之，影響電流均流和交流繞組損耗的主要因素有工作頻率，繞組分布和絕緣體厚度三個方面。一般地，次邊繞組夾在原邊繞組的分布方法能有效地平衡電流均流，從而減小交流阻抗。但對稱隔層插入繞組的方法在臨界頻率內能非常有效地解決電流均流不平衡現象。
3.2鐵芯的zui小化設計問題
3.2.1磁芯損耗模型
變壓器的鐵損主要由磁滯和渦流效應導致，磁滯損耗一般認為是由磁材料的磁疇運動及摩擦而導致的。磁滯損耗與頻率成正比，而渦流損耗與頻率的平方成正比。單位體積的磁損耗功率密度為：
其中k為損耗系數，B為磁感應強度峰－峰值，f為磁場交變頻率，k、m、n與磁材料的特性有關，可從磁材料供應商給出的損耗曲線得出。
3.2.2繞組損耗模型
在高頻應用時，為了減少銅損和提高電流容量，繞組導體通常采用扁平狀銅片，而且每層只有一圈導體，這樣可使電流沿導體的寬度方向分布，減少由于趨膚效應所導致的損耗，另外也有利于減少變壓器的整體高度。如果忽略各層導體連接點的影響，對于匝數為N的繞組，其直流電阻為：
其中tw，dw分別是導體厚度和繞組與磁芯之間的間隙。
由于高頻效應，繞組的電阻會有明顯增大，繞組的交流電阻可表示為：RΩ=FrRd，其中Fr為交流與直流電阻之比，它與磁芯及繞組的幾何尺寸和布置有關。基于Dowell關于變壓器繞組交流電阻的計算模型[3]，可知在原負邊繞組分開布置時其值為：
其中：
δ為頻率為f時的趨膚厚度，N為從零漏磁場處開始算起的繞組層數。
當變壓器用于開關電源中時，流過繞組的電流波形并不是正弦波，含有高次諧波，因而僅僅考慮基波的影響是不夠的。合適的做法應是先求得電流波形的諧波分量，然后分別求得對應的電流諧波分量的繞組損耗。
對于周期性變化的繞組電流，其繞組總損耗模型為：
其中分別為繞組電流的n次諧波分量的有效值和頻率為時繞組的交流電阻。
3.2.3鐵芯的zui小化設計[4]
zui小磁芯體積的數學模型為：
其中：分別為磁芯的有效體積，磁材料的飽和磁感應強度和額定的變壓器效率，分別為磁芯的有效截面積和磁路長度。
3.3成本
如何降低成本，應從以下幾個方面考慮：
3.3.1.設計：采用的原材料、結構形式對成本有決定性作用。
3.3.2.工藝：盡量采用工模具和機械加工。
3.3.3.減少生產的附加費用：包括設計選用的原材料和配件盡可能通用，減少種類和降低庫存量，以及盡快縮短交貨時間。
3.4使用原則
平面變壓器的使用主要有以下三個原則：
3.4.1.根據輸出電壓的大小來選用相應型號的平面變壓器；
3.4.2.根據輸出電流的大小來確定并聯的平面變壓器個數；
3.4.3.根據輸入輸出電壓的大小來確定變比和原邊線圈的匝數。
此外，實際應用中還需要知道平面變壓器的變比，變比也可用下面公式進行計算：
其中，K是系數，當平面變壓器的輸出是通過中心抽頭時，K＝0.5；當平面變壓器沒有中心抽頭時，K＝1。N是并聯的平面變壓器單元個數；P是平面變壓器的原邊匝數。
4.應用
平面變壓器從問世到現在短短的10多年間已經在通信、筆記本計算機、汽車電子、數碼相機和數字化電視等方面得到了廣泛的應用。如采用平面變壓器制成的5～60W功率范圍的DC-DC變換器，已應用于電信系統插卡式板上電源。由于汽車中特殊的電氣和機械環境，對變壓器設計和工藝提出更嚴格的要求。平面變壓器應用于氙弧燈鎮流器的DC-DC變換器，已經在中檔轎車中使用。其次，寬帶傳輸應用的平面變壓器，也顯示了良好的發展前景。除此以外，平面變壓器的產品品種已涉及到常規的鐵氧體磁芯變壓器的各個方面，如功率變壓器、帶寬變壓器和阻抗匹配變換器等。由于其一致性好、體積小等特性使其特別適用于在內部空間小，對節能和散熱要求苛刻的電子設備中使用。在國防、航空、航天等對重量和穩定性要求*的領域，平面變壓器的應用也將會給系統的小型化開拓一個嶄新的局面。
總之，小型化、平面化的電感鐵氧體元件將更加引起人們應用的興趣，相信在某些高技術領域里，平面變壓器將很快取代傳統變壓器，并逐步實現規模化生產。
5.總結
微型變壓器的發展是當今電子、信息技術的需求，變壓器的微型化是變壓器技術發展的必然趨勢。就目前來看，以鐵氧體為磁芯的平面變壓器體積小，功率密度大，是現在微型變壓器的主流。以微制造技術的薄膜變壓器正處于研制階段，實際中推廣應用，還是個別事例。隨著電子技術的飛速發展，鐵氧體平面變壓器仍將在較大功率的模塊電源中發揮主要作用。
