平面干式變壓器及其應用綜述

1.引言高頻高功率密度的功率轉換模塊在電力電子設備中得到了廣泛的應用和發(fā)展。提高變換器的功率密度，關(guān)鍵是減小磁性元件的體積和重量。一方面，考慮到傳統的電磁理論，對于一定的線(xiàn)圈窗口面積和鐵芯截面積，對于較優(yōu)結構，要求線(xiàn)圈回路和鐵芯回路的長(cháng)度較短，以減小鐵芯的總體積和線(xiàn)圈的平均長(cháng)度；另一方面，考慮到熱設計理論，磁性元件的散熱表面積較大化，并且從磁性元件的熱點(diǎn)到磁性元件的表面積的熱阻減小，從而提高功率密度。干式變壓器結構正在經(jīng)歷三次升級。較好次是平面干式變壓器，體積重量比三維干式變壓器(普通干式變壓器)小80%，已形成5W-20KW、20k Hz-2MHZ范圍的產(chǎn)品，典型效率98%。第二次是片式干式變壓器，特別適合低壓大電流。高度(厚度)進(jìn)一步減小，電流可達100 A以上，由一個(gè)次級繞組和多個(gè)磁芯組成，取代了以前的一個(gè)磁芯和多個(gè)繞組。多個(gè)磁芯的初級繞組串聯(lián)，以滿(mǎn)足降壓隔離的要求。內部溫升比平面干式變壓器低，只有10左右。它可以安裝在額定溫升較高的基板上。第三次是薄膜干式變壓器，采用薄膜后高度小于1毫米。工作頻率超過(guò)1MHZ，達到10~100MHZ。因為集成電路技術(shù)，成本不增加。是DC開(kāi)關(guān)電源干式變壓器的較新發(fā)展方向。之所以強調“正面體驗”，是因為目前不同的應用領(lǐng)域和市場(chǎng)對干式變壓器基于性能價(jià)格比的結構形式要求不同。立體干式變壓器仍然廣泛使用。平面干式變壓器已經(jīng)形成系列，正在推廣。片式干式變壓器正處于單件小批量生產(chǎn)階段。薄膜干式變壓器只是一個(gè)孤立的案例，還處于研發(fā)階段。由此可見(jiàn)，鐵氧體平面干式變壓器在未來(lái)的功率轉換模塊中，尤其是在較大的功率模塊中，將發(fā)揮極其重要的作用。2.結構原理平面干式變壓器通常有兩個(gè)或兩個(gè)以上相同尺寸的柱狀鐵芯。以?xún)蓚€(gè)磁芯的平面干式變壓器結構為例進(jìn)行介紹，如圖1所示。每個(gè)磁芯柱的兩個(gè)對角由銅皮連接，銅皮穿過(guò)磁芯柱時(shí)緊貼磁芯內壁。兩個(gè)磁芯并排放置，兩個(gè)相鄰的角上焊接有銅皮，一個(gè)磁芯外側兩個(gè)角上的銅皮與一個(gè)銅皮焊接在一起，銅皮是平面干式變壓器次級線(xiàn)圈的中心。如果抽頭在這里引出，則是次級線(xiàn)圈的中心抽頭。另一個(gè)磁芯外側兩個(gè)角上的銅皮是平面干式變壓器次級線(xiàn)圈的兩端。因此，基本上形成了平面干式變壓器的主體。它的次級線(xiàn)圈只有一匝，可以有中心抽頭。一個(gè)完整的平面干式變壓器也有一個(gè)預設的儲能電感，其一端經(jīng)常連接到中心抽頭，上下固定銅板分別設置，夾住磁芯和濾波電感，同時(shí)作為整流電源的極和散熱板?？梢钥闯?，平面干式變壓器是由銅引線(xiàn)框和扁平連續的銅螺旋組成的，而不是纏繞在傳統鐵氧體磁芯上的磁性銅線(xiàn)。螺旋被蝕刻在涂有銅箔的介電材料片上，然后堆疊在平坦的高頻鐵氧體磁心上，形成干式變壓器的磁路。然后用小粒徑的環(huán)氧樹(shù)脂粘接芯材，使芯材損耗較小化，螺旋疊片中的耐高溫(130)絕緣材料保證繞組間的高絕緣。2.1制造模式2.1.1磨合 #p#分頁(yè)標題#e#

2.1.3多層印刷電路板(PCB)這種方法采用了PCB的制造技術(shù)，利用精密的薄銅片或在絕緣片上刻蝕的幾個(gè)平面銅繞組，在多層板上形成螺旋線(xiàn)圈。特別適合制作高頻、高壓、中、小功率平面干式變壓器。2.2特性表1比較了常規干式變壓器、壓電陶瓷干式變壓器和平面干式變壓器的特性。平面干式變壓器的物理和電氣特性將在下面描述[1]。2.3物理特性平面干式變壓器具有體積小的特點(diǎn)，一般在0.325英寸到0.750英寸之間，對于電源內部空間受到嚴格限制的場(chǎng)合，頗具吸引力。平面干式變壓器的印刷電路板結構是指一旦電路板元件被設置為平面器件，干式變壓器的繞組在后續生產(chǎn)過(guò)程中應具有彼此完全相同的間距。因此，允許生產(chǎn)自動(dòng)組裝設備，這可以大大提高每個(gè)設備的可重復性和可靠性，并避免傳統干式變壓器的手動(dòng)繞組造成的不規則性和不穩定性?？傊?，平面干式變壓器采用機械加工的多層制造工藝，一致性好；由于繞組的幾何形狀及其相關(guān)寄生特性限制在PCB制造公差范圍內，因此具有重現性；由于其高能量密度，適用于表面貼裝裝配，具有小型化的特點(diǎn)。此外，平面干式變壓器的性能一致性和可預測性使其比常規干式變壓器更容易建模，特別適合用計算機輔助工程工具(如SPICE)建模。2.4電特性渦流效應是相鄰導體交變磁場(chǎng)引起的邊緣電流效應，趨膚效應是圓導線(xiàn)中產(chǎn)生感應磁場(chǎng)等感應電流時(shí)，會(huì )集中在導線(xiàn)外表面的現象，特別是在較高頻率下，渦流效應和趨膚效應尤為明顯。結果，總載流面積小于整個(gè)導體面積，這使得交流阻抗大于DC阻抗，并降低了有效傳導性能，從而使得傳統干式變壓器中纏繞在鐵氧體磁芯上的圓形導體繞組的利用率沒(méi)有得到充分利用。然而，平面干式變壓器的繞組是蝕刻在印刷電路板上的銅箔層。雖然由于趨膚效應，電流集中在銅箔層的外表面層，但由于銅箔層很薄，電流實(shí)際上幾乎流過(guò)整個(gè)導體。與傳統的干式變壓器相比，它可以獲得更高的效率和更小的體積。干式變壓器的工作頻率高于300KHz時(shí)，銅箔層厚度等于外皮厚度就足夠了，也可以避免雜散電流造成的量

外損耗。平面干式變壓器結構使寄生電抗（繞組間電容和漏感）較小，通常為初級電感的0.5%以下。低漏感是通過(guò)分離措施實(shí)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。平面干式變壓器低的雜散電容和漏感很有利于降低干式變壓器輸出電壓的高頻瞬時(shí)擾動(dòng)。采用在介質(zhì)片上疊積導電電路，這種結構還能使平面干式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，該干式變壓器能適用寬范圍的輸入電壓，并能按要求給出一個(gè)、二個(gè)或三個(gè)輸出，它們也能滿(mǎn)足或優(yōu)于脫機轉換器的性能要求?？傊?，平面干式變壓器由于其扁平繞組而具有高頻率（1MHz）、高效率（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，平面干式變壓器還具有寬的工作溫度范圍(-40~130)，高電流密度（每層繞組較大電流可達200A）和功率大（單個(gè)器件功率可達5～25KW）等優(yōu)點(diǎn)。3. 應注意的幾點(diǎn)3.1 并聯(lián)繞組問(wèn)題如今，平面干式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(zhù)輸出電壓越來(lái)越低，而輸出電流越來(lái)越高，常采用并聯(lián)多層結構來(lái)減小繞組損耗。但是，在并聯(lián)繞組層中存在著(zhù)電流分布不平衡現象[2]，導致并聯(lián)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(lián)層形成的回路的漏磁通，而漏磁通又依賴(lài)于繞組分布和并聯(lián)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(lián)層的不平衡電流越大，導致大的環(huán)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干式變壓器漏電感，而且也大大影響并聯(lián)層間的電流均流。使用對稱(chēng)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(lián)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(chēng)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(lài)于銅片厚度和繞組分布；（3）并聯(lián)層空間距離：減小空間距離能顯著(zhù)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(pán)繞電容。因此，并聯(lián)層空間距離應折衷選擇?？傊?，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(gè)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(chēng)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 鐵芯的較小化設計問(wèn)題3.2.1 磁芯損耗模型干式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(dòng)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(chǎng)交變頻率，k、m、n與磁材料的特性有關(guān)，可從磁材料供應商給出的損耗曲線(xiàn)得出。3.2.2 繞組損耗模型在高頻應用時(shí)，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，另外也有利于減少干式變壓器的整體高度。如果忽略各層導體連接點(diǎn)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(huì )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(guān)?；贒owell關(guān)于干式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(kāi)布置時(shí)其值為：其中：δ為頻率為f時(shí)的趨膚厚度，N為從零漏磁場(chǎng)處開(kāi)始算起的繞組層數。當干式變壓器用于開(kāi)關(guān)電源中時(shí)，流過(guò)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(shí)繞組的交流電阻。3.2.3 鐵芯的較小化設計[4]較小磁芯體積的數學(xué)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干式變壓器效率， 分別為磁芯的有效截面積和磁路長(cháng)度。3.3 成本如何降低成本，應從以下幾個(gè)方面考慮：● 設計：采用的原材料、結構形式對成本有決定性作用?！?nbsp;工藝：盡量采用工模具和機械加工?！?nbsp;減少生產(chǎn)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(lèi)和降低庫存量，以及盡快縮短交貨時(shí)間。3.4 使用原則平面干式變壓器的使用主要有以下三個(gè)原則：● 根據輸出電壓的大小來(lái)選用相應型號的平面干式變壓器；● 根據輸出電流的大小來(lái)確定并聯(lián)的平面干式變壓器個(gè)數；● 根據輸入輸出電壓的大小來(lái)確定變比和原邊線(xiàn)圈的匝數。此外，實(shí)際應用中還需要知道平面干式變壓器的變比，變比也可用下面公式進(jìn)行計算：其中，K是系數，當平面干式變壓器的輸出是通過(guò)中心抽頭時(shí)，K＝0.5；當平面干式變壓器沒(méi)有中心抽頭時(shí)，K＝1。N是并聯(lián)的平面干式變壓器單元個(gè)數；P是平面干式變壓器的原邊匝數。4. 應用平面干式變壓器從問(wèn)世到現在短短的10多年間已經(jīng)在通信、筆記本計算機、汽車(chē)電子、數碼相機和數字化電視等方面得到了廣泛的應用。如采用平面干式變壓器制成的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(chē)中特殊的電氣和機械環(huán)境，對干式變壓器設計和工藝提出更嚴格的要求。平面干式變壓器應用于氙弧燈鎮流器的DC-DC變換器，已經(jīng)在中檔轎車(chē)中使用。其次，寬帶傳輸應用的平面干式變壓器，也顯示了良好的發(fā)展前景。除此以外，平面干式變壓器的產(chǎn)品品種已涉及到常規的鐵氧體磁芯干式變壓器的各個(gè)方面，如功率干式變壓器、帶寬干式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。在防、航空、航天等對重量和穩定性要求極高的領(lǐng)域，平面干式變壓器的應用也將會(huì )給系統的小型化開(kāi)拓一個(gè)嶄新的局面?？傊?，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(shù)領(lǐng)域里，平面干式變壓器將很快取代傳統干式變壓器，并逐步實(shí)現規?；a(chǎn)。5. 總結微型干式變壓器的發(fā)展是當今電子、信息技術(shù)的需求，干式變壓器的微型化是干式變壓器技術(shù)發(fā)展的必然趨勢。就目前來(lái)看，以鐵氧體為磁芯的平面干式變壓器體積小，功率密度大，是現在微型干式變壓器的主流。以微制造技術(shù)的薄膜干式變壓器正處于研制階段，實(shí)際中推廣應用，還是個(gè)別事例。隨著(zhù)電子技術(shù)的飛速發(fā)展，鐵氧體平面干式變壓器仍將在較大功率的模塊電源中發(fā)揮主要作用。#p#分頁(yè)標題#e#