平面变压器的结构原理与应用

  大多数DC/DC变换器都需要隔离变压器而平面变压器技术在隔离变压器的许多方面实现了重要的突破。介绍了平面变压器的结构、性能和使用方法。

  在DC/DC变换中,基本的Buck、Boost、Cuk变换器是不需要开关隔离变压器的。但如果要求输出与输入隔离,或要求得到多组输出电压,就要在开关元件与整流元件之间使用开关隔离变压器,所以绝大多数变换器都有隔离变压器。目前开关电源的发展趋势是效率更高、体积更小、重量更轻,而传统的隔离变压器在效率、体积、重量等方面严重制约了开关电源的进一步发展。同时由于变压器涉及到的主要参数有电压、电流、频率、变比、温度、磁芯u值、漏抗、损耗、外形尺寸等,所以一直无法象其它电子元器件那样有现成的变压器可供选用,常常要经过繁琐的计算来选用磁芯和绕组导线,而且绕组绕制对变压器的性能也有较大影响,加之变压器的许多重要参数不易测量,给使用带来一定的盲目性,很难在频率响应、漏抗、体积和散热等方面达到满意效果。平面变压器(Flat Transformer技术则在隔离变压器的许多方面实现了重要的突破。

  目前,国外的许多电源产品中都开始采用平面变压器技术,如蓄电池充电电源、通信设备分布式电源、UPS等。而国内的隔离开关变压器在材料、工艺等方面与国外先进国家有一定差距,阻碍了开关电源开关高频的提升和效率提高,使开关电源产品停留在一个较低的水平。平面变压器技术将会为高频开关电源的设计和产品化提供有益的帮助。

  传统变压器的绕组常常是绕在一个磁芯上,而且匝数较多。而平面变压器(单元)只有一匝网状次级绕组,这一匝绕组也不同于传统的漆包线,而是一片铜皮,贴绕在多个同样大小的冲压铁氧体磁芯表面上。所以平面变压器的输出电压取决于磁芯的个数,而且平面变压器的输出电流可以通过并联进行扩充,以满足设计的要求。并且平面变压器原边绕组的匝数通常也只有数匝,不仅有效降低了铜损和分布电容、电抗,而且为绕制带来了很多便利。由于磁芯是用简单的冲压件组合而成的,性能的一致性大大提高,也为大批量生产降低了成本。

  平面变压器通常有2个或2个以上大小一样的柱状磁芯(图1a)。现以2个磁芯的平面变压器为例介绍其结构。每个磁芯柱在对角线上的两角都用铜皮连接,铜皮在通过磁芯柱时紧贴磁芯内壁(图1b)。两个磁芯并排放置,相邻的两角用铜皮焊接起来,在一个磁芯的一个外侧面上的两个角上的铜皮用一片铜皮焊接在一起,这里就是平面变压器次级线圈的中心,如果在这里引出抽头,就是次级线圈的中心抽头;在另一个磁芯的一个外侧面上的两个角上的铜皮就是平面变压器次级线c)。这样就基本构成一个平面变压器的主体部分。它的次级线匝,而且可以带有中心抽头。一个完整的平面变压器还有一个预置的储能电感(1.4μH@500kHz,DC20A),它的一端常接在中心抽头上,上、下各有一片固定铜板,它们将磁芯和滤波电感夹在中间,同时作为整流电源的两极(图1d)和散热板(实际使用中还要根据功率的大小加装散热板)。

  这种结构的变压器体积小,高度有8mm和12mm两种。绕线匝数大大少于传统的变压器,结构更紧凑,磁耦合大大优于传统的变压器,漏抗小于0.2%,所以它可以在更高的频率下工作,有利于电源转换效率的提高。紧密的磁芯的几何形状限制了热点的产生,降低了热耗,因此允许更高的能量密度。同时本身的散热条件大大优于传统的变压器。所以平面变压器的体积、重量大大降低,而效率更高。更重要的是,它为开关电源中开关变压器提供了一个通用的选择,省去了复杂的计算、选料和变压器绕制过程。曲折变压器它在简化和优化设计的同时,还缩小了体积,降低了成本。所以平面变压器非常适合应用在低压(1~60V、大电流(30A/每磁芯)的开关电源或逆变电源的设计中,对变压器的拓扑结构没有限制。表1列出了FTI-12×2A-XA系列平面变压器的主要技术参数。

  例如,开关电源输出电压5V,输出电流150A。选用5V系列的平面变压器FTI-12×2A-XX。如果用FTI-12×2A-1A,就需要5个并联;如果用FTI-12×2A-5A(实际就是由5个FTI-12×2A-1A并联构成),只需要1个。

  此外,实际应用中还需要知道平面变压器的变化和原边线圈的匝数。变比可用下面公式进行计算:

  式中,K是系数。当平面变压器的输出是通过中心抽头时,K=0.5;平面变压器无中心抽头时,K=1。N是并联的平面变压器单元个数。P平面变压器原边匝数。

  上面的例子中,如果输出平面变压器使用中心抽头,输入的直流电压为150V,变比可定为10:1,则原边匝数P=10/(0.5×5)=4。如果输入的直流电压为300V,变比可定为201,则原边匝数P=20/0.5×5=8。由此可见平面变压器的原边绕组的匝数通常是很少的。

  笔者受FTI公司委托在蓄电池充电电源中使用了平面变压器。根据本人的使用体会,采用平面变压器后,开关频率为300kHz,转换效率大于95%,整个装置的体积和重量也大大降低。由于平面变压器已标准化、系列化、产品化,性能一致性好,使用非常方便。

  平面变压器改变了传统的开关变换器中隔离开关变压器的设计思路,为设计人员提供了更方便、更优良的选择。1998年,它被Electronic Products 杂志评为年度杰出产品。

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