平面变压器设计技术99问(上)

平面变压器设计技术99问（上）

成都技术支持工程师：郑国全（原创）

1、 变压器是什么？

答：变压器是电源中的一个最为重要的部件。变压器在电源中主要是起到功率传送、电压变换和绝缘隔离的功能。一般使用在50Hz工频的是铁芯变压器，它体积大又笨重，转换效率低只有约50%。为了提高效率减小体积，工程师发明了开关电源，把变压器的工作频率提高到了20KHz以上，是原来50Hz工频的400倍，体积当然也就小了很多，能量的转换效率也提高到了80%以上。为了继续提高电源的工作效率，减小它的体积，进一步增大开关电源的功率密度，人们还在尝试着不断的提高变压器的工作频率。但是人们发现，当变压器的工作频率跨过100KHz以后，现有开关电源中使用的高频变压器就带来越来越多的问题无法胜任工作了， 必须寻找新材料新结构的变压器来担当重任。

2、 变压器是怎么工作及它的主要参数？ 答：图一是变压器的工作示意图：

N1我们称之为初级，N2我们称之为次级。

1）变压比：变压器有两组线圈圈数分别是N1和N2。在初级线圈上加上一个交流电压V1，在次级线圈的两端上就会产生感应电动势。当N2＞N1时，其感应电动势比初级的电压还要高，这种变压器被我们称之为升压变压器；当N2＜N1时，其感应电动势比初级的电压要低，这种变压器被我们称之为降压变压器。初级初级电压与线圈圈数间存在着下面关系：

式中的n,被称为电压比（圈数比），当n＜1，则N1＞N2，V1＞V2，该变压器为降压变压器。反之，n＞1，则变压器为升压变压器。

2）变压器的效率：在额定功率情况下，变压器的输出功率和输入功率的比值，叫作变压器的效率，即：

3、开关电源中的高频变压器

答：开关电源中的高频变压器一般都是用软磁铁氧体材料做成的。线圈的初级次级是用漆包线绕制在骨架上，再安装在磁芯上。如下图二所示：

4、磁性器件在电源中起到什么作用？

答：两个作用： 1）变压器的作用：（1）电气隔离； （2）通过调节变比进行升降压； （3）传递能量或信号； （4）测量电压或电流；

2）电感的作用： （1）储能 ； （2）滤波； （3）抑制尖峰电压或电流； （4）与电容产生谐振； 5、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。 6、平面变压器有哪些技术特点？

答：表1 基本归纳了平面变压器的优越性能：

表1—1：平面变压器的优越性能表

优越性

高度低、体积小、重量轻

高功率密度

具体性能

一般高度均小于20mm,每100W约重15g.

比同类型的传统变压器高3~5倍

功率适应范围大

高电压量 高电流量 高效率 低漏感 低EMI辐射 工作频率范围宽 工作温度范围宽 热传导效果好 组装性能好

5W~25KW

次级升压可以达到20KV以上 每层绕组可以达到200A 效率可达95%~99% 初级电感的0.2%以下 有效的磁芯屏蔽 20KHz~2MHz -40C~130C 散热面积大 便于安装在印制板上

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7、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。 8、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。 9、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。

10、平面变压器是啥模样的？ 答：这里给出它的部分照片。图三：

11、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。 技术讨论QQ：893454012 15828455285

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