平面變壓器的結構原理與應用

摘要：大多數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)現了重要的突破。介紹了平面變壓器的結構、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，所以絕大多數變換器都有隔離變壓器。目前開(kāi)關(guān)電源的發(fā)展趨勢是效率更高、體積更小、重量更輕，而傳統的隔離變壓器在效率、體積、重量等方面嚴重制約了開(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成的變壓器可供選用，常常要經(jīng)過(guò)繁瑣的計算來(lái)選用磁芯和繞組導線(xiàn)，而且繞組繞制對變壓器的性能也有較大影響，加之變壓器的許多重要參數不易測量，給使用帶來(lái)一定的盲目性，很難在頻率響應、漏抗、體積和散熱等方面達到滿(mǎn)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)現了重要的突破。

目前，國外的許多電源產(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、通信設備分布式電源、ＵＰＳ等。而國內的隔離開(kāi)關(guān)變壓器在材料、工藝等方面與國外先進(jìn)國家有一定差距，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)電源的設計和產(chǎn)品化提供有益的幫助。

傳統變壓器的繞組常常是繞在一個(gè)磁芯上，而且匝數較多。而平面變壓器（單元）只有一匝網(wǎng)狀次級繞組，這一匝繞組也不同于傳統的漆包線(xiàn)，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，而且平面變壓器的輸出電流可以通過(guò)并聯(lián)進(jìn)行擴充，以滿(mǎn)足設計的要求。并且平面變壓器原邊繞組的匝數通常也只有數匝，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 平面變壓器的結構和性能

1.1 結構

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）?，F以２個(gè)磁芯的平面變壓器為例介紹其結構。每個(gè)磁芯柱在對角線(xiàn)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線(xiàn)圈的中心，如果在這里引出抽頭，就是次級線(xiàn)圈的中心抽頭；在另一個(gè)磁芯的一個(gè)外側面上的兩個(gè)角上的銅皮就是平面變壓器次級線(xiàn)圈的兩端（圖１ｃ）。這樣就基本構成一個(gè)平面變壓器的主體部分。它的次級線(xiàn)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)預置的儲能電感（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)際使用中還要根據功率的大小加裝散熱板）。

1.2 性能

這種結構的變壓器體積小，高度有８ｍｍ和１２ｍｍ兩種。繞線(xiàn)匝數大大少于傳統的變壓器，結構更緊湊，磁耦合大大優(yōu)于傳統的變壓器，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，省去了復雜的計算、選料和變壓器繞制過(guò)程。它在簡(jiǎn)化和優(yōu)化設計的同時(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計中，對變壓器的拓撲結構沒(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。

表1 FTI-12×2A系列扁平變壓器的主要技術(shù)參數

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）根據輸出電壓的大小來(lái)選用相應型號的平面變壓器；

（２）根據輸出電流的大小來(lái)確定并聯(lián)的平面變壓器個(gè)數；

（３）根據輸入輸出電壓的大小來(lái)確定變比及原邊繞組的匝數。

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)構成），只需要１個(gè)。

此外，實(shí)際應用中還需要知道平面變壓器的變化和原邊線(xiàn)圈的匝數。變比可用下面公式進(jìn)行計算：

變比＝Ｋ×Ｎ×Ｐ：１

式中，Ｋ是系數。當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。Ｐ平面變壓器原邊匝數。

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Ｐ＝２０／０．５×５＝８。由此可見(jiàn)平面變壓器的原邊繞組的匝數通常是很少的。

3 結論

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準化、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的開(kāi)關(guān)變換器中隔離開(kāi)關(guān)變壓器的設計思路，為設計人員提供了更方便、更優(yōu)良的選擇。１９９８年，它被Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｐｒｏｄｕｃｔｓ 雜志評為年度杰出產(chǎn)品。