1引言

　　變壓器的功能主要有：電壓變換；電流變換，阻抗變換；隔離；穩(wěn)壓（磁飽和變壓器）；自耦變壓器；高壓變壓器（干式和油浸式）等，變壓器常用的鐵芯形狀一般有E型和C型鐵芯，XED型，ED型CD型。因此近幾年來(lái)，許多、學(xué)者、工程師一直在研究解決這個(gè)問(wèn)題的辦法。高頻平板變壓器的研制開(kāi)發(fā)成功，就使變壓器技術(shù)發(fā)生一個(gè)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(duì)低電壓、大電流的變換器特別適用。所以用它來(lái)做當(dāng)代計(jì)算機(jī)電源特別合適。

　　大部分的變壓器均有固定的鐵芯，其上繞有與二次的線(xiàn)圈。基于鐵材的高導(dǎo)磁性，大部分磁通量局限在鐵芯里，因此，兩組線(xiàn)圈藉此可以獲得相當(dāng)高程度之磁耦合。在一些變壓器中，線(xiàn)圈與鐵芯二者間緊密地結(jié)合，其與二次電壓的比值幾乎與二者之線(xiàn)圈匝數(shù)比相同。因此，變壓器之匝數(shù)比，一般可作為變壓器升壓或降壓的參考指標(biāo)。由于此項(xiàng)升壓與降壓的功能，使得變壓器已成為現(xiàn)代化電力系統(tǒng)之一重要附屬物，提升輸電電壓使得長(zhǎng)途輸送電力更為經(jīng)濟(jì)，至于降壓變壓器，它使得電力運(yùn)用方面更加多元化，可以這樣說(shuō)，沒(méi)有變壓器，現(xiàn)代工業(yè)實(shí)無(wú)法達(dá)到目前發(fā)展的現(xiàn)況。

　　2運(yùn)行在高頻情況下常規(guī)變換變壓器存在的問(wèn)題

　?。?）漏電感（簡(jiǎn)稱(chēng)漏感）

　　漏電感，或漏感，（英文：Leakage inductance）是變壓器中繞線(xiàn)與二次繞線(xiàn)的耦合系數(shù)[1]數(shù)值較小時(shí)，構(gòu)成變壓器的繞線(xiàn)的一部分不會(huì)有變壓作用，而是與Choke Coil有等效成分所產(chǎn)生的。若繞線(xiàn)與二次繞線(xiàn)完全耦合（耦合系數(shù)k=1）為理想的變壓器時(shí)，漏電感的數(shù)值為零。但一般變壓器的耦合系數(shù)多為1以下，因?yàn)槲赐耆詈希岳@線(xiàn)的一部分才會(huì)有電感的功能。在等效電路上，漏電感指的是與變壓器的繞線(xiàn)或二次繞線(xiàn)與Choke Coil Le 以串聯(lián)方式連接。 漏電感的定義有電氣學(xué)會(huì)及工業(yè)會(huì)測(cè)量法的兩種定義……這種電感我們稱(chēng)之為“漏感”。理想變換器對(duì)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(kāi)關(guān)處于關(guān)斷期間）時(shí)，漏感存貯的能量要釋放出來(lái)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(duì)時(shí)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(duì)時(shí)間的變化率也就增加。漏感的影響將更嚴(yán)重。漏感的影響和變換器的開(kāi)關(guān)速度成正比。漏感產(chǎn)生過(guò)高的尖峰脈沖會(huì)損壞變換

　　圖1常規(guī)變換變壓器和平板變壓器示意圖

　?。╝）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(huì)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。

　?。?）繞組間電容

　　當(dāng)變壓器的繞組是多層繞組時(shí)，則頂層繞組和底層繞組之間就有電位差。兩個(gè)導(dǎo)體之間有電位差，就存在電容。電容充電和放電過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生損耗。在給定的時(shí)間內(nèi)，它充電和放電的次數(shù)愈多，損耗就愈大。

　?。?）趨膚效應(yīng)

　?。?）鄰近效應(yīng)

　?。?）局部過(guò)熱點(diǎn)

　　常規(guī)的變換變壓器工作在高頻時(shí)，其磁芯中部會(huì)有局部過(guò)熱點(diǎn)。這就使得無(wú)法用它去做高功率密度的電源。

　　對(duì)于低輸出電壓理想型變換器來(lái)說(shuō)，它的降壓比是很高的。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(yán)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

　　平面變壓器與傳統(tǒng)的變壓器相比的區(qū)別在于鐵芯及線(xiàn)圈繞組。平面變壓器采用小尺寸的E型、RM型或環(huán)型鐵氧體磁芯，通常是由高頻功率鐵氧體材料制成，在高頻下有較低的 磁芯損耗；繞組采用多層印刷電路板迭繞而成，繞組或銅片迭在平面的高頻鐵芯上構(gòu)成變壓 器的磁回路。這種設(shè)計(jì)有低的直流銅阻、低的漏感和分布電容，可滿(mǎn)足諧振電路的設(shè)計(jì)要求 。而且由于磁芯良好的磁屏蔽，可抑制射頻干擾。

　　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，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。

　?。?）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。

　?。?）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(zhuān)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(guò)熱點(diǎn)的問(wèn)題。

　　（4）因?yàn)槠桨遄儔浩髂芨纳茻岷纳?wèn)題。所以它能實(shí)現(xiàn)高磁通密度，并能采用緊封裝來(lái)實(shí)現(xiàn)高功率密度。而常規(guī)變換變壓器是無(wú)法和它相比擬的。150W的平板變壓器模塊，它的體積為5.38（長(zhǎng)）×1.60（寬）×1.17（高）立方厘米。

　?。?）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(xiāo)售價(jià)格。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(jià)格將會(huì)降低更多。

　?。?）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(xiàn)仍能正常工作，而常規(guī)變換變壓器只要有一處損壞，整個(gè)變壓器就無(wú)法正常工作。

　　平面變壓器與傳統(tǒng)的變壓器相比主要有以下特點(diǎn)：

　?。?） 高電流密度。平面變壓器的導(dǎo)線(xiàn)實(shí)際上是一些平面的導(dǎo)體，因而電流密度大。

　?。?） 高效率。效率可達(dá)98%～99%。

　?。?） 低漏感。約為初級(jí)電感的0.2%。

　?。?） 熱傳導(dǎo)好。熱通道距離短，溫升低。

　?。?） 低EMI輻射。良好的磁芯屏蔽可使輻射降到很低。

　　（6） 體積小。采用了小型磁芯可相應(yīng)減小體積。

　?。?） 參數(shù)可重復(fù)性好。因?yàn)槔@組結(jié)構(gòu)固定、預(yù)先加工好，所以參數(shù)穩(wěn)定。

　?。?） 工作頻率范圍寬。頻率可從50　kHz～2　MHz。

　?。?） 工作溫度范圍寬。工作溫度為-40　℃～130　℃。

　?。?0）絕緣性好。平面變壓器由導(dǎo)電電路與絕緣片互相重疊構(gòu)成，從而保證繞組之間、初— 次級(jí)及次—次級(jí)間可達(dá)4 kV絕緣隔離。

　　以上敘及用作變換變壓器的平板變壓器由若干個(gè)鐵氧磁芯做成。2個(gè)磁芯做變壓器，1個(gè)磁芯做電感。3個(gè)磁芯構(gòu)成1個(gè)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(shí)，其磁芯中部的局部過(guò)熱點(diǎn)問(wèn)題。

　　典型的平板變壓器副邊繞組有若干個(gè)并聯(lián)的線(xiàn)圈。每一個(gè)副邊繞組都和同一個(gè)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(lì)磁電流）。這種特性對(duì)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。

　　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(shù)脂粘接在一起，如圖2（b）所示。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(xì)節(jié)見(jiàn)參考文獻(xiàn)。

　　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(hù)在變壓器副

　　圖2平板變壓器的外形圖

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(jìn)行抽頭等組裝工作量。加上肖特基整流器導(dǎo)通時(shí)的正向壓降很低，所以整個(gè)電路的效率可做得很高。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(lái)決定，即變換率是：（Ne×Np）：1。高的變換率可以通過(guò)增加原邊繞組匝數(shù)或增加模塊數(shù)來(lái)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(diǎn)是其它變壓器無(wú)法和它比擬的。在市場(chǎng)上，它是大家公認(rèn)的外形和允許用于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(jí)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。

　　每一模塊漏感的值僅有4nH。漏感測(cè)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(jìn)行測(cè)量。這時(shí)測(cè)得的漏感是0.18μH。因?yàn)樽儔浩髟呺姼械扔?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(dá)式為：

　　Lp=Lmod×Ne×Np2（3）

　　式中Lp——變壓器原邊電感；

　　Lmod——1匝穿過(guò)1個(gè)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(kāi)路時(shí)測(cè)得的電感；而給出的漏感是當(dāng)副邊短路時(shí)測(cè)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(gè)模塊（2只方塊磁芯）的漏感是：

　　Lmod=0.18μH/（5×9）=180nH/45=4nH

　　對(duì)于具有2匝原邊繞組的5個(gè)模塊，其漏感可用公式（3）進(jìn)行計(jì)算：

　　Lleak=Lmod×Ne×Np2（輸出端應(yīng)短路）

　　=4×5×22=80（nH）

　　因?yàn)樗叺脑褦?shù)很少，所以它的鄰近效應(yīng)是的。

　　磁路設(shè)計(jì)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(zhǎng)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：也是3匝。允許通過(guò)電流的大小通常由外接整流器電流的額定值來(lái)決定。在30A時(shí)，濾波電感技術(shù)條件規(guī)定其電感值是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：

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

　?。?）決定要求的匝比，例如：8：1；

　　（3）選擇模塊類(lèi)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）。

　?。?）按照功率等級(jí)和匝比來(lái)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(gè)模塊。

　?。?）按照下面的公式計(jì)算原邊繞組匝數(shù)

　　M×N=n（4）

　　式中M——模塊數(shù)；

　　N——穿過(guò)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。

　?。?）由原邊繞組電流來(lái)計(jì)算和選定導(dǎo)線(xiàn)尺寸。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(guò)原邊繞組的電流是 750/150=5A，用1.25mm2導(dǎo)線(xiàn)就可以了。

　?。?）選擇合適的絕緣導(dǎo)線(xiàn)。電氣絕緣推薦采用聚四氟乙烯外皮的導(dǎo)線(xiàn)或三重絕緣導(dǎo)線(xiàn)。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(xiàn)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(hào)含義

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

　?。?）在CTI系列中，如需要中心抽頭，可選匝比一項(xiàng)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(méi)有安裝。因?yàn)樵吚@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(jiǎn)單的。原邊繞組要穿過(guò)所有模塊，并用足夠的匝數(shù)去獲得所需的匝比。

　　7結(jié)語(yǔ)

　　通過(guò)上述計(jì)算和分析可得出高頻平板變壓器的特點(diǎn)有：

　?。?）電流分配

　　典型的平板變壓器副邊繞組有若干個(gè)并聯(lián)的線(xiàn)圈。這種特性對(duì)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。

　?。?）很高的電流密度

　　平板變壓器有極好的溫升特性設(shè)計(jì)。因?yàn)檫@些特性，所以它能在很小的封裝內(nèi)達(dá)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(kāi)關(guān)時(shí)間，就能使它達(dá)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。

　?。?）高功率密度

　　因?yàn)槠桨遄儔浩髟某叽绾苄?，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(shí)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(hào)及其所示的內(nèi)容

　?。?）低成本

　　整個(gè)變壓器是由少量有關(guān)的廉價(jià)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(kāi)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。

　?。?）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。

　?。?）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值。輸出端到輔助部件的連線(xiàn)很短而且是緊裝配，所以繞組相互之間連線(xiàn)上的漏電感也是的。

　?。?）極好的高頻特性

　　在這之前，當(dāng)變壓器運(yùn)行在高頻時(shí)會(huì)使開(kāi)關(guān)損耗增大和使變壓器過(guò)熱。平板變壓器能設(shè)計(jì)為高頻變壓器，提供一種既經(jīng)濟(jì)又好的變壓器模塊。它可工作在100kHz～500kHz之間。

　　（10）結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單

　　平板變壓器是由少量部件和少的繞組構(gòu)成的，這種模塊在自動(dòng)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(qiáng)度高

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

參考文獻(xiàn):

[1]. 30A datasheet http://www.hbjingang.com/datasheet/30A_953528.html.