摘 要： 大多數(shù)DC/DC變換器都需要隔離變壓器,而平面變壓器技術(shù)在隔離變壓器的許多方面實(shí)現(xiàn)了重要的突破。介紹了平面變壓器的結(jié)構(gòu)、性能和使用方法。
關(guān)鍵詞： 隔離變壓器 平面變壓器 開(kāi)關(guān)電源
在DC/DC變換中，基本的Buck、Boost、Cuk變換器是不需要開(kāi)關(guān)隔離變壓器的。但如果要求輸出與輸入隔離，或要求得到多組輸出電壓，就要在開(kāi)關(guān)元件與整流元件之間使用開(kāi)關(guān)隔離變壓器，所以絕大多數(shù)變換器都有隔離變壓器。目前開(kāi)關(guān)電源的發(fā)展趨勢(shì)是效率更高、體積更小、重量更輕，而傳統(tǒng)的隔離變壓器在效率、體積、重量等方面嚴(yán)重制約了開(kāi)關(guān)電源的進(jìn)一步發(fā)展。同時(shí)由于變壓器涉及到的主要參數(shù)有電壓、電流、頻率、變比、溫度、磁芯u值、漏抗、損耗、外形尺寸等，所以一直無(wú)法象其它電子元器件那樣有現(xiàn)成的變壓器可供選用，常常要經(jīng)過(guò)繁瑣的計(jì)算來(lái)選用磁芯和繞組導(dǎo)線，而且繞組繞制對(duì)變壓器的性能也有較大影響，加之變壓器的許多重要參數(shù)不易測(cè)量，給使用帶來(lái)一定的盲目性，很難在頻率響應(yīng)、漏抗、體積和散熱等方面達(dá)到滿意效果。平面變壓器(Flat Transformer)技術(shù)則在隔離變壓器的許多方面實(shí)現(xiàn)了重要的突破。
目前，國(guó)外的許多電源產(chǎn)品中都開(kāi)始采用平面變壓器技術(shù)，如蓄電池充電電源、通信設(shè)備分布式電源、UPS等。而國(guó)內(nèi)的隔離開(kāi)關(guān)變壓器在材料、工藝等方面與國(guó)外先進(jìn)國(guó)家有一定差距，阻礙了開(kāi)關(guān)電源開(kāi)關(guān)高頻的提升和效率提高，使開(kāi)關(guān)電源產(chǎn)品停留在一個(gè)較低的水平。平面變壓器技術(shù)將會(huì)為高頻開(kāi)關(guān)電源的設(shè)計(jì)和產(chǎn)品化提供有益的幫助。
傳統(tǒng)變壓器的繞組常常是繞在一個(gè)磁芯上，而且匝數(shù)較多。而平面變壓器(單元)只有一匝網(wǎng)狀次級(jí)繞組，這一匝繞組也不同于傳統(tǒng)的漆包線，而是一片銅皮，貼繞在多個(gè)同樣大小的沖壓鐵氧體磁芯表面上。所以平面變壓器的輸出電壓取決于磁芯的個(gè)數(shù)，而且平面變壓器的輸出電流可以通過(guò)并聯(lián)進(jìn)行擴(kuò)充，以滿足設(shè)計(jì)的要求。并且平面變壓器原邊繞組的匝數(shù)通常也只有數(shù)匝，不僅有效降低了銅損和分布電容、電抗，而且為繞制帶來(lái)了很多便利。由于磁芯是用簡(jiǎn)單的沖壓件組合而成的，性能的一致性大大提高，也為大批量生產(chǎn)降低了成本。
1 平面變壓器的結(jié)構(gòu)和性能
1.1 結(jié)構(gòu)
平面變壓器通常有2個(gè)或2個(gè)以上大小一樣的柱狀磁芯(圖1a)。現(xiàn)以2個(gè)磁芯的平面變壓器為例介紹其結(jié)構(gòu)。每個(gè)磁芯柱在對(duì)角線上的兩角都用銅皮連接，銅皮在通過(guò)磁芯柱時(shí)緊貼磁芯內(nèi)壁(圖1b)。兩個(gè)磁芯并排放置，相鄰的兩角用銅皮焊接起來(lái)，在一個(gè)磁芯的一個(gè)外側(cè)面上的兩個(gè)角上的銅皮用一片銅皮焊接在一起，這里就是平面變壓器次級(jí)線圈的中心，如果在這里引出抽頭，就是次級(jí)線圈的中心抽頭；在另一個(gè)磁芯的一個(gè)外側(cè)面上的兩個(gè)角上的銅皮就是平面變壓器次級(jí)線圈的兩端(圖1c)。這樣就基本構(gòu)成一個(gè)平面變壓器的主體部分。它的次級(jí)線圈只有1匝，而且可以帶有中心抽頭。一個(gè)完整的平面變壓器還有一個(gè)預(yù)置的儲(chǔ)能電感(1.4μH＠500kHz，DC20A)，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(shí)作為整流電源的兩極(圖1d)和散熱板(實(shí)際使用中還要根據(jù)功率的大小加裝散熱板)。
1.2 性能
這種結(jié)構(gòu)的變壓器體積小，高度有8mm和12mm兩種。繞線匝數(shù)大大少于傳統(tǒng)的變壓器，結(jié)構(gòu)更緊湊，磁耦合大大優(yōu)于傳統(tǒng)的變壓器，漏抗小于0.2%，所以它可以在更高的頻率下工作，有利于電源轉(zhuǎn)換效率的提高。緊密的磁芯的幾何形狀限制了熱點(diǎn)的產(chǎn)生，降低了熱耗，因此允許更高的能量密度。同時(shí)本身的散熱條件大大優(yōu)于傳統(tǒng)的變壓器。所以平面變壓器的體積、重量大大降低，而效率更高。更重要的是，它為開(kāi)關(guān)電源中開(kāi)關(guān)變壓器提供了一個(gè)通用的選擇，省去了復(fù)雜的計(jì)算、選料和變壓器繞制過(guò)程。它在簡(jiǎn)化和優(yōu)化設(shè)計(jì)的同時(shí)，還縮小了體積，降低了成本。所以平面變壓器非常適合應(yīng)用在低壓(1～60V)、大電流(30A/每磁芯)的開(kāi)關(guān)電源或逆變電源的設(shè)計(jì)中，對(duì)變壓器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)沒(méi)有限制。表1列出了FTI－12×2A－XA系列平面變壓器的主要技術(shù)參數(shù)。
2 平面變壓器的使用
平面變壓器的使用主要有以下三個(gè)原則：
(1)根據(jù)輸出電壓的大小來(lái)選用相應(yīng)型號(hào)的平面變壓器；
(2)根據(jù)輸出電流的大小來(lái)確定并聯(lián)的平面變壓器個(gè)數(shù)；
(3)根據(jù)輸入輸出電壓的大小來(lái)確定變比及原邊繞組的匝數(shù)。
例如，開(kāi)關(guān)電源輸出電壓5V，輸出電流150A。選用5V系列的平面變壓器FTI－12×2A－XX。如果用FTI－12×2A－1A，就需要5個(gè)并聯(lián)；如果用FTI－12×2A－5A(實(shí)際就是由5個(gè)FTI－12×2A－1A并聯(lián)構(gòu)成)，只需要1個(gè)。
此外，實(shí)際應(yīng)用中還需要知道平面變壓器的變化和原邊線圈的匝數(shù)。變比可用下面公式進(jìn)行計(jì)算：
變比＝K×N×P:1
式中，K是系數(shù)。當(dāng)平面變壓器的輸出是通過(guò)中心抽頭時(shí)，K＝0.5；平面變壓器無(wú)中心抽頭時(shí)，K＝1。N是并聯(lián)的平面變壓器單元個(gè)數(shù)。P平面變壓器原邊匝數(shù)。
上面的例子中，如果輸出平面變壓器使用中心抽頭，輸入的直流電壓為150V，變比可定為10:1，則原邊匝數(shù)P＝10/(0.5×5)＝4。如果輸入的直流電壓為300V，變比可定為20:1，則原邊匝數(shù)P＝20/0.5×5＝8。由此可見(jiàn)平面變壓器的原邊繞組的匝數(shù)通常是很少的。
3 結(jié)論
筆者受FTI公司委托在蓄電池充電電源中使用了平面變壓器。根據(jù)本人的使用體會(huì)，采用平面變壓器后，開(kāi)關(guān)頻率為300kHz，轉(zhuǎn)換效率大于95%，整個(gè)裝置的體積和重量也大大降低。由于平面變壓器已標(biāo)準(zhǔn)化、系列化、產(chǎn)品化，性能一致性好，使用非常方便。
平面變壓器改變了傳統(tǒng)的開(kāi)關(guān)變換器中隔離開(kāi)關(guān)變壓器的設(shè)計(jì)思路，為設(shè)計(jì)人員提供了更方便、更優(yōu)良的選擇。1998年，它被Electronic Products 雜志評(píng)為年度杰出產(chǎn)品。
參考文獻(xiàn)
1 James Lau,K.Kit Sum,Karl Baker.Flat TransformerApplication Note01.Flat Transformer Technology Corp.1998
2 張占松，蔡宣三.開(kāi)關(guān)電源的原理與設(shè)計(jì).北京：電子工業(yè)出版社，1998
3 王水平，付敏江.開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源.西安：西安電子科技大學(xué)出版社，1997