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德州信平电子有限公司

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智能伺服变压器:开关电源中平面变压器的点点滴滴......

2018-07-09 08:51:39 德州信平电子有限公司 阅读

平面变压器发展的必然性

由于涡流效应,在高工作频率和大电流下,磁元件线圈损耗显著增加,这不仅降低了效率,而且 引起温升增大,增加了热设计困难,限制了开关功 率变换器功率密度的进一步提高。因此研究线圈损 耗模型、设计技术、开发新型线圈结构以减小其损耗在工业界有迫切的要求,这也是电力电子高频 磁技术一个非常重要的研究内容。国外学术界与工业界对此展开了积极研究,国内虽对磁集成等高频 磁技术展开了一定的研究但对线圈技术的研究则较少。

传统的绕线式磁元件,由于线圈结构单一、散 热特性以及参数一致性差等问题,已无法满足开关电源高频化和低截面的发展趋势。具有低截面的平 面磁元件(planar magnetic components)很好克服了传统磁元件的不足,获得广泛应用。由于平面变压器功率密度高、窗口高度低,而且工作频率与电 流越来越高,对线圈结构和设计技术提出更高的要求,尤其是对于高频率和大电流的应用场合,为了兼顾高频涡流效应和载流面积所采用的并联线圈结构,一些传统的线圈结构和设计方法不再适用。 在平面变压器中,铜箔/PCB 印刷电路板(printed circuit board)线圈应用广泛。

平面变压器的几个种类

平面变压器的分类 :平面变压器按设计制作工艺的不同,可分为印刷电路(PCB)型,厚膜型、薄膜型、亚微米型4种,今天重点讲述的是PCB型平面变压器!

1, PCB 型变压器

印刷电路 PCB(printed circuit board)型变压器可省去绕组骨架,能增大散热面积,能减小在高频工作时由集肤效应和邻近效应所引起的涡流损耗,也能增大电流密度,其电流密度最高可达 20A/mm,功率大,工艺简单。但用 PCB,窗口利用率低,仅为0.25~0.3,传统变压器的窗口利用率为 0.4,其体积也较大。PCB 型变压器其功率可高达 20kW ,频率可达兆赫数量级。采用 pulse 的平面技术,多层 PCB 夹在磁芯之间,薄型高效铁氧体平面变压器,其底部面积小,高度只有7.4mm,工作频率为 150~750kHz,工作温度为-400~1300。

2,厚膜变压器

厚膜变压器是为了克服薄膜变压器中导体电阻大的缺陷而提出的。以氧化铝作基体,采用厚膜工艺,在其上、下表面各印制了初级和次级绕组,用铁氧体制作的平面变压器在 2MHz,输出功率为 75W 时,效率达 85%。厚膜工艺制造出的平面变压器效率一般较低,因此寻求更进一步的工艺技术以完善平面变压器制造的厚膜工艺是实现平面变压器高频集成化的关键。

3, 薄膜型变压器

薄膜型变压器是一种用磁性薄膜研制的叠层微型变压器,采用薄膜后高度低于 1mm,工作频率超过 1MHz,其体积小,易于集成,但只适用于小功率情况。它们绝大多数采用金属磁性材料,如坡莫合金、铁硅铝和非晶合金。主要是因为它们有高 BS 和高磁导率。Tsuijimotl 等人用带式(铜厚 35μm,长 34mm,宽 3mm)加以绝缘膜(厚 100μm),非晶 CoNbZr 膜(1.8μm)构成一种能在高频下输出电压可控的薄膜变压器——针孔型变压器,还制成了厚度为 210μm的片式变压器。它是采用两层 10μm 厚的 CoZr 非晶薄膜做成的,用于 5V、0.3A、1MHz 的开关电源,77.5% 铁氧体材料(以 MnZn系为主)也可以制成薄膜型变压器,但用常规的方法很难制出合适的微型磁膜,故需开发新的成膜技术。目前国外主要采用 PVD、CVD 等沉积技术配合化学蚀刻,激光烧蚀法、光照射低温镀膜法等成膜技术。Yamaguchi K 等设计制作的微型变压器,其面积只有2.4mm×3.1mm,在 10MHz 时效率可达 67%。

4 ,亚微米型变压器

亚微米变压器是利用化学法合成,采用低温(900℃)烧结的 NiCuZn 铁氧体为介质材料,以 Ag 为内电极,用流延和丝网印刷技术的方法制备而成的,其体积小、质量轻、易于集成、工艺简单。两种片式亚微米型变压器,外形尺寸分别为 2.1cm×2.1cm×1mm和 8mm×8mm×1mm,设计变压比分别为 6 和 4,工作频率为1~10MHz。 亚微米型平面变压器结构新颖,改变了传统变压器的结构特征,将变压器原边和副边绕组采用丝网印刷技术烧制在铁氧体材料中,外型类似表贴的集成电路器件。对亚微米型平面变压器的电气性能测试表明:①空载情况下,变压比先随着输入电压的增加而增大,而后随着输入电压的增加而减小,范围内达到最大值。另外,变压比随着输入信号频率的增加而增大。②在一定输入频率和电压情况下,输出功率随负载的增大先升高再降低,存在一个输出功率最大的负载电阻值。③在一定输入电压和输出负载的情况下,随着输入电压频率的增加,变压器的变压比逐渐增大,当输入电压频率高于某一临界值后,变压比基本保持不变。波形畸变程度随着输入电压频率的增加而减小。④在一个固定输入频率下,存在一个饱和负载电阻值,当负载电阻值小于饱和负载电阻值时,则变压器的输出电压随负载增大而增大,但当负载电阻值大于饱和负载电阻值时,输出电压的变化很小或基本保持不变。随着频率的升高饱和负载电阻值逐渐增大。在负载电阻值等于饱和负载电阻值时,变压器的变压比基本不随输入电压的变化而变化,但随着输入电压的升高,输入输出电压的波形畸变程度增强。

新手常问的平面变压器相关问题解答

Q:什么是平面变压器?

答:平面变压器是近几年才在国内热火起来的一种新型变压器。它的特点是器件的整体高度低,呈扁平形状,具有很多特殊的电气优点,使用软磁铁氧体功率材料做磁芯,是一款支撑未来电源进而改变人类用电器具的关键核心器件。

Q:平面变压器有哪些技术特点?

答:下表 基本归纳了平面变压器的优越性能:

信平电子变压器

信平电子变压器

Q:平面变压器的结构特点是什么?

答:平面变压器和传统的高频变压器最大的不同就在于它基本上不使用铜线来绕制,它的内部不存在传统的骨架。它线包的制作通常有两种方式:

1)铜箔式平面变压器,这种方式是利用铜箔作绕组,折叠成多层线圈,适合于制造低压、大电流的变压器;

2)多层印刷板式平面变压器,这种变压器是采用印刷电路板制造工艺,在多层板上形成螺旋式线圈,适合于制造性能比较稳定的中小功率的变压器。

Q:平面变压器的技术优点还有哪些?

答:( 1 )电流分配均等

典型的平面变压器副边绕组有若干个并联的线圈。每个副边绕组都和同一个原边绕组相藕合。所以,副边电流产生的安匝数与原边绕组产生的安匝数相等(忽略励磁电流)。这种特性对并联整流电路特别有用。绕组电流分配均等,在并联整流电路中就不影响其他元件。

( 2 )电流密度高

平面变压器有极好的温升特性设计。因为这些特性,所以它能在很小的封装体积内达到很高的电流密度,由于它的结构特点,完全满足高频电流的工作特性,所以适合在高频率的场合使用。

( 3 )高效率

低漏电感,使它能具有很快的开关时间,很低的交叉损耗,就能使它达到很高的效率。这种变压器副边绕组和原边绕组间因为接触非常紧密,就具有很高的耦合系数,所以它的效率高、损耗很小。

( 4 )功率密度很高

因为平面变压器元件的尺寸很小,它具有极好的温度耗散特性,所以能和有关点半导体器件和电感紧密地封装在一起,实现的电流密度可做到 30A / 模块。

( 5 )低成本

整个变压器是由少量有关的廉价元件组成,加上组装又很方便,PCB板的前期开发成功以后是采用印制加工方法,所以整体变压器的成本是很低。

( 6 )连接部件成本低廉

由于它的漏电感很小,开关损耗很低,加在和它相连接部件上的应力减少。因此和它连接的部件能使用成本较低的功率元件。

( 7 )热耗散特性好

平面变压器是具有很高的表体面积比、很短的热通道的元器件。这种结构有利于散热。原边和副边绕组之间的匝间损耗很小,磁芯的功率损耗较小,所以它能做到高磁通密度。它可在 -400C~ 1300C 之间工作。

( 8 )泄漏电感低

绕组和绕组之间的良好耦合,就能使绕组匝间的漏电感保持在最小值。输出端到辅助部件的连线很短而且是紧配合,所以绕组上的漏电感最小。漏电感小意味着变压器的EMI指标更好,对开关功率器件的损害最小。

( 9 )高频特性极佳

在这之前,当变压器运行在高频时会使开关损耗增大和使变压器过热。平面变压器的出现,使这些问题得以解决。平面变压器能做到提供一种既经济又好的变压器模块。它可工作在 100KHz ~ 2000KHz 之间。

( 10 )结构简单适宜表贴

平面变压器是由少量部件和最少的绕组构成的,这种模块在自动化装配中特别适用,而且它的外形天生就注定它适合表面贴装及大规模的流水线生产。

( 11 )外形低宜于整机小型化

在平面变压器中所用的磁芯较小,它是以一种扁平的形态排列在变压器的表面上。每一磁芯单元外形在 8mm ~ 32mm 范围内,这就使得它具有了很多独有的优点。

( 12 )绝缘强度高

平面变压器很容易使用绝缘簿膜或是绝缘材料对变压器的介电绝缘按要求的进行层数、厚度进行绝缘从而达到所需的技术要求。

Q:平面变压器能够代表变压器的未来方向吗?

答:是。微型变压器的发展是当今电子、信息技术的需求,变压器的微型化是变压器技术发展的必然趋势。就目前来看,以铁氧体为磁芯的平面变压器体积小,功率密度大,是现在微型变压器的主流。以微制造技术的薄膜变压器以及发展已久的压电变压器都还正处于不成熟的研制阶段,都不能担当起在大功率、大变压比的实际工程中推广应用。随着电子技术的飞速发展,铁氧体平面变压器必将在较大功率的模块电源中发挥主要作用。而且随着技术的不断成熟,平面变压器必然会成为变压器,变流器、电感器件的首选。

Q:平面变压器是啥模样的?

答:这里给出它的部分照片。

信平电子变压器

信平电子变压器

信平电子变压器

Q:为什么平面变压器的结构是这样的呢?

答:这一切都是缘于技术的发展和社会的需求。第一代的变压器使用的是铁芯—也就是所谓的硅钢片。这种变压器制作的电源既笨重且效率特别低,转换效率一般在50%左右,它适合现已有的供电网络工频(50Hz)的市电系统。为了减轻重量提高转换效率,随后人们提出了开关电源概念,电气工程师们把开关电源的工作频率从10KHz逐步的提高到了100KHz,其中所用到的就是第二代变压器—铁氧体的高频变压器,由于铁氧体变压器的体积和重量大大减轻减小(如20KHz工作频率是原来50Hz的400倍),使得整个电源的体积和重量就有了较大幅度的减轻减小,效率也从原来的50%提高到了80%以上。但是人们仍然不满足,还想不断的提高工作频率,大家很自然的认识到,要想得到更高的效率、更小的体积、更高的功率密度、更优质的电源唯一便捷有效的方法就是提高开关电源的工作频率。在这里就有必要来看看电磁领域的法拉第电磁感应定律了。

关于PCB型平面变压器

PCB变压器可指位于印刷电路板上的变压器,或含有多氯联苯的变压器。本文所述PCB变压器指位于印刷电路板上的变压器,而非含有多氯联苯的变压器。

用于印刷电路板的变压器须为紧凑型,也因如此该变压器不具备复杂的冷却机制,该冷却机制有时须纳入其他变压器设计内。这些变压器通常具有针对最高温度与最低温度的额定值;在此额定值下可进行操作。只要保持在该温度范围内,则该变压器可提供可靠服务,因其为变压器,几十年可不断提供服务。

若要了解印刷电路板变压器的工作原理,需先了解什么是印刷电路板及其工作原理。

什么是印刷电路板?

印刷电路板是一种以极其紧凑、简便的方式连接各类电子元件的方法。印刷电路板使用的是由层压在绝缘表面上的铜片制成的路径,而不使用标准布线。该路径被酸蚀刻到电路板上。

配备有线设备的印刷电路板称为印刷线路板。可以发现,印刷电路板及印刷线路板均用于各种不同的电子应用中。大多数人熟悉的印刷电路板设计位于计算机内部,提供装置所需的所有各类组件,以极其紧凑装置的形式运转,生产经济、性能卓越,且使用寿命长。

PCB的历史

虽然大多数人可能认为印刷电路板是现代发明,但实际上这些设备的使用始于100多年前。最初的实验涉及现在仍在所用工艺的早期版本。例如,二十世纪初,托马斯·爱迪生已经致力于将亚麻纸作为一种印刷电路板。其他发明家也都致力于相同的设想,利用各种不同的材料和技术,试图在表面上蚀刻永久电路。

第二次世界大战之前,印刷电路板已被投入使用。其被应用于炸弹的近炸引信中。像第二次世界大战期间迅速发展的大多数技术一样,印刷电路板最终使该技术进入了消费者市场。二十世纪50年代之前,已出现配备印刷电路板的消费性装置。

用户看到的第一批印刷电路板带有电线,各组件粘附在印刷电路板上,时常通过电线从其下方进行连接。然而随着技术的发展,更为常见的是,组件仅设在印刷电路板表面。随着时间的推移,该技术已成为普遍做法。

如今,印刷电路板具有极其复杂且强大的电子设备,耐冲击、可持久使用,且不存在与电路板上安装的实际物理电线有关的缺点。

生产PCB的材料是什么?

令人惊讶的是,制作印刷电路板仅需四个简单组件。用户制作印刷电路板时,仅需要铜箔、覆铜薄层压板、浸树脂布和非覆铜薄层压板。

尽管组件简单,但生产过程相当复杂。大多数人熟悉的一部分工艺为蚀刻。蚀刻工作十分简单,且允许以可承受价批量生产印刷电路板。

印刷电路板上不得出现可溶解铜的材料。所有保留在后方的部分均为拟纳入电路板的路径。制造商也有可能制造双面电路板并使用其他技术,使电路板更加多样。

如今可以看到,电子设备中使用的电路板为该类技术的典型应用。多年以来,其构造方式经历了多次改变,随着技术的提高,极大提高了电路的复杂性,使其能够安装在印刷电路板上。

业余爱好者也可以自己制作印刷电路板。可利用薄膜或激光印刷机,皆可生产所需的印刷电路板模型,移除后仅留下电路板。

什么是PCB变压器?

PCB变压器是专门设计用于印刷电路板的变压器。其通常为明装装置,位于电路板表面,提供可能需要的任何变压或电流变换。

这些装置具有各种不同的性能和尺寸,确保其种类可供任何可以想象到的产品进行选择。同时也有廉价的部件,使印刷电路板以更加经济可行的方式生产电子元件。

还有一种无芯的PCB变压器。这使得变压器的尺寸大大降低,尽管这些装置基本还处于实验阶段。但该装置的应用范围仍是巨大的。

哪种应用使用PCB变压器?

PCB变压器用于各种不同的应用中。在计算机硬件中,变压器可逐步将电压降低至安全水平,使其不可或缺。其还被应用于各种不同的生产过程中,及其他需要变压器的消费性装置中。与使用大型变压器相比,PCB变压器可真正节约大量资金并在设计中节省大量空间。

PCB变压器有哪些安装方式?

主要有两种方式可为印刷电路板配备变压器:明装和通孔安装。也可以直接在印刷电路板上蚀刻变压器,但这显然不需要进行任何安装。

明装

明装的PCB变压器无穿透印刷电路板的销钉或其他组件。这为更紧凑的设计提供了可能。

多年以来,明装组件已成为印刷电路板的常见零件。因其便于更紧凑的设计,所以通常优先采用这种方法,将各类电子元件安装到印刷电路板上。但情况并非总是如此,拆卸任何计算机或其他电子设备很可能表明,该装置的大部分组件已被安装至电路板表面,且无线或其他物件穿过。

通孔安装

在印刷电路板上通孔安装的变压器配有穿透电路板的连接器。这为使用多层印刷电路板和其他应用提供了可能。通常,与直接安装在表面上相比,通孔安装方法是一种印刷电路板上安装组件较不紧凑且更过时的方法。对于某些应用及特定组件而言,其仍为印刷电路板上安装的最佳方法。但您会发现,目前印刷电路板上的绝大多数变压器组件都为明装。对于旧设备,将其拆卸后可看到具有大量通孔安装组件的印刷电路板。

平面变压器结构设计

1 绕组结构

平面变压器的绕组是利用印制板上的螺旋形印制线来实现的。印制板中间被挖空用于安装磁芯。各印 制板之间由绝缘胶布或空白印制板绝缘。磁芯直接将印制板夹在中间,然后通过胶带或夹子固定。平面变 压器的高度得到了有效的降低,同时进一步节省了体积。印制线成扁平状,其厚度一般为35μm/70μm 。 在 频率小于14MHZ时,铜的集肤深度都小于印制线厚度的一半。通常开关电源频率远小于这个值,所以平面 变压器的集肤效应可以忽略。

在多层印制电路板之间要有供绕组互联的“通孔”,绕组间的匝数通过“通孔”以串联或并联的方式 彼此构成电连接。图2表示各层通过通孔用串联方式互联的布局图。

信平电子变压器

每层印制板都布有一排通孔且位置对齐,但是每层绕组只用其中的两个通孔,通过图2方式实现绕组 串联。在低压大电流的场合,也可以通过通孔实现绕组并联,以提高变压器的电流处理能力。如图3所示。

2 变压器磁芯

选择合适的磁芯是保证变压器性能的关键问题。平面变压器一般采用高频功率铁氧体软磁材料制成的 E型、EC、ETD和EER型磁芯、RM型等磁芯。

E型磁芯制造工艺简单,售价较便宜,是现在平面变压器很流行的磁芯形状。E型磁芯有大的绕组空间, 能够提供足够的空间供大截面积的引线引出,可允许大电流通过。同时E型磁芯可以进行不同方向的安装, 又由于其散热非常好,可以叠加应用更大的功率,一般大功率变压器都使用这种磁芯。但是它的缺点是不 能提供自我屏蔽,同时磁芯中间柱是长方体,不能有效利用PCB上的空间,使单匝绕组的长度增加,PCB 绕组的横截面积变大,变压器的所占体积也相对较大。

RM这种类型磁芯有以下几个优点,一是由于磁芯中间柱和边缘四周都呈圆形,可降低铜线的匝长, 从而降低铜损。另一个优点是能够充分利用PCB上的空间,可以减小PCB绕组的横截面积,将其设计成正 方形形式,这样磁芯漏感较小。并且RM磁芯的屏蔽效果也比E型磁芯要好。

EC、ETD和EER型磁芯介于E型和罐型之间。这类磁芯和E型磁芯一样,它们能提供足够的空间供大截面的引线引出,适合现在开关电源低压大电流的趋势;这类磁芯的散热也非常好;由于中间柱为圆柱形, 与E型相比具有RM型的一些优点。但是这类磁芯和E型磁芯一样屏蔽效果不好。

信平电子变压器

在我们研制的某320VDC/12VDC 25A变换器中对常规变压器和平面变压器进行了比较。主电路为双管反 激电路,开关频率100KHZ。按照普通高频变压器设计方法采用两个EI33型磁芯并起来使用,原边30匝,绕 组使用直径0.81mm的漆包线;副边2匝,绕组使用0.3mm的铜皮,2层并联。

信平电子变压器

若磁芯不变,采用PCB绕组时,为减少成本,应用了多块双面板来实现。原边绕组PCB每层安放3匝, 线宽=1.5mm,每块PCB上下两面可布置6匝绕组(如图7所示)构成原边绕组需要5块双面板;副边绕组电流 大匝数少,PCB每层安放1匝每块PCB上下两面可布置2匝(如图8所示),用4块并联。每块PCB厚0.4mm,整 个绕组窗口高度只需6.8mm。若采用多层PCB做绕组,整个绕组窗口高度只需3mm。

信平电子变压器

已知标准的EI-33磁芯的窗口高度为19.25 ,与线包的厚度相差很大,为此对两个EI-33磁芯各作 磨削加工,以减小磁芯窗口的高度并与线包得以良好配合。

经磨削修正后的EI―33磁芯,除窗口高度恰好满足包装配外,磁芯的重量和体积也得以减少。后装 配成的变压器结构呈扁平型。这样变压器的表面散热面积增加了,面积与体积的比值较大,与常规铁芯相 比,平面变压器的热阻较小,提高了热性能。

3 寄生效应与绕组布局

平面变压器的一、二次侧绕组交织可以大限度减小漏电感,并且可控制漏电感的大小。然而, 平面变压器漏电感减小的同时, 寄生电容却增大。而若要减小寄生电容,则需增大层与层之间的距离, 这就与减小漏感相矛盾。同时为提高平面变压器的功率水平,绕组大多采用并联形式以提高电流处理能力。 但是各绕组层之间的相对位置、连接方式或其他偶然因素的影响,都会造成各并联绕组层之间不均流, 从 而给绕组带来附加损耗。

以二种类型的平面变压器研究其寄生效应。每一类变压器的绕组结构各不相同,所以它们有不同的漏 感和寄生电容。图9为所述的二种类型变压器绕组的结构布局:

信平电子变压器

1#:初级绕组和次级绕组对称组合

2#:初级绕组和次级绕组交替组合

由于初级绕组与次级绕组间的寄生电容Cps严重影响着变压器的高频特性,故要其尽量小。在多层印制电路板变压器结构中,其绕组是由平行的扁平面导电条状铜箔组成的,则两个绕组间的电容可使用两块平行导电板之间的电容计算公式直接求得:Cps=ε·s/d。可见由于平面变压器的结构特性将会有较大的寄生电容。

表 三种不同绕组结构变压器的参数对比

信平电子变压器

上表给出了两个不同绕组结构的平面变压器的寄生参数。从上表可见2#变压器绕组结构的漏感要比1# 要低,但是2#变压器的寄生电容要远大于1#变压器。为了进行比较,同时列出了与平面变压器使用 相同磁芯的常规变压器,标记为3#。

从表1可以看出平面变压器与常规变压器相比漏感比较小,但是有相对较高的绕组间寄生电容。

4 实例

设计了一个运用平面变压器的双管反激变换器。变换器主要参数:Vin=290~360V, Vo=12V,Po=300W,f= 100KHZ 。

平面变压器绕组由厚度为0.4mm的印制电路板制作,线圈采用双面印制电路板,共10层。初级印制板 为5层,每层每面3匝,5层串联共30匝,铜绕组宽1.5mm、厚0.035mm,绕组匝与匝之间间隔0.2mm; 次级印制板为4层,每层每面1匝,4层并联共2匝,铜绕组宽5.1mm,厚0.035mm。绕组布局选用3中1#布局方式,平面变压器原边电感L1=516.4uH,漏感Ls=19.0uH,高度为16mm,重量为70g。

同时设计了一个满足变换器参数要求的常规变压器。常规变压器选用相同磁芯,原边30匝,绕组使用 直径0.81mm的漆包线;副边2匝,绕组选用0.3 mm铜皮,2层并联。绕法为“三明治”绕法,先绕制15匝原边,再绕制副边,后绕制15匝原边。变压器L1=516.8uH,漏感Ls=25.2uH,高度为30.2mm,重量为120g。

信平电子变压器

由图10对比可以看出,平面变压器不仅漏感比常规变压器要小,而且体积、重量也要小很多。

图11给出了反激变换器在不同变压器下的效率曲线。由于平面变压器漏感小和自身损耗比较小,在全 范围负载内都比常规变压器的效率要高。

信平电子变压器

结语

本文论述了平面变压器相关技术并对PCB型平面变压器做了详细的介绍与设计,并以具体实例讨论其特性。与传统磁芯相比,平面型磁芯除了具有低造型、低漏感、低损耗等优点外,还具有良好的热特性、绝缘性、一致性和耦合性。因 此,平面型功率变压器与传统功率变压器相比能显著提高变换器的性能、体积,具有明显的优势,是开关电源的理想选择。


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