电源转换器技术进步的关键：平板变压器

电源转换器技术进步的关键：平板变压器

随着高功率密度需求的增加，电源转换器的封装尺寸将越来越小。传统变压器体积大且效率低，使得隔离电源转换器的小型化受到限制。如今，平板变压器的出现逐渐取代了绕线式变压器，不仅缩小了电源转换器的体积，还大大提高了其转换效率。本文阐述了常见的变压器损耗，以及平板变压器的结构和设计注意事项，并分析了与绕线式变压器在转换效率、体积、系统可靠性等方面的比较。

绪论

隔离式电源转换器的工作过程是将能量储存在一次侧，再通过晶体管开关切断输入回路，将储存在变压器铁芯中的能量传输至二次侧，实现电压转换。在这个过程中，变压器决定了电压转换大部分的效率，以及隔离型转换器大部分的面积，如下图所示。

通过提高开关频率可以缩小变压器的体积，但是提高频率却会使变压器产生更高的铁损（包含磁滞损及涡流损）及铜损（集肤效应），导致其转换效率下降。在高频应用中，平板变压器能改善这些损耗，达到高达90%以上的转换效率，以下介绍高频频应用中变压器常见的损耗。

变压器的铜损与铁损

变压器内部的磁芯是由磁性材料制成，而铁损是由磁芯产生的。电源转换器在高频运行时，造成磁性材料反复磁化，使其饱和而导致磁滞现象。铜损是指变压器绕组导线的直流电阻损失。在高频应用下，线圈会产生集肤效应，造成电阻上升。

1. 铁芯的磁滞曲线

磁滞曲线是指磁感应强度(B)与磁场强度(H)之间的关系的曲线。两者的关糸是非线性的，当磁场强度增加时，磁感应强度会沿着曲线上升达到Bs点，此时即使磁场强度继续增加，磁感应强度趋向缓和增加，此称为磁饱和。变压器饱和会造成电感减少，造成变压器的线圈流过大电流而破坏开关元件。因此设计时需要避免变压器的饱和。

当磁场强度降低时，该点将以另一条曲线返回到磁场强度等于0的Br点；若磁场强度持续下降，该点将会到达磁感应强度等于0的Hc点，磁滞曲线如下图。

当电流通过绕组线圈时，线圈会产生磁场，此时磁芯的磁场发生改变，其内部的磁畴在磁场磁化作用下缓慢的转动、膨胀及收缩，这些现象会使材料彼此摩擦产生热能，称为磁滞损耗(Ph)。磁滞圈内的曲线面积代表磁滞损耗，其面积越大，磁滞损则越大。以下为磁滞损的公式：

其中：

• Kh：磁滞常数
• Bxm：磁通密度 (x = 铁芯材料常数)
• f：操作频率

由(1)式得知，假设磁通密度为定值，此时磁滞损与频率成正比，频率越高，则磁滞损失越高。所以在电源转换器高频工作下，导致电源转换器的效率降低，并增加发热量。相比之下，平面变压器的磁芯是采用铁氧体软磁性材料制成的，可以有效减小高频造成的磁滞损。

2. 绕组线圈的集肤效应

变压器绕组是由漆包线绕制而成，当导线有交变电磁场时，使内部电流集中在其表面，造成导线表面电流密度较大，但是导线中心的电流密度较小的现象，如下图。

导线截面积的利用率下降，导致电阻与损耗功率上升，此现象称为集肤效应。集肤效应会因电源的工作频率增加而使导线电流更集中于导体表面，电阻与频率呈比例上升。

在高功率应用下，传统变压器绕组须使用较粗的线圈绕制，可能产生集肤效应导致其损耗增加、转换效率下降。相比之下，平板变压器的绕组是印刷电路板(PCB)上的铜箔，其可以透过提高铜箔厚度及宽度来满足大电流需求，因线圈匝数少，可以直接忽略集肤效应的问题。

什么是平板变压器？

平板变压器是利用多层印刷电路板（PCB）叠制而成的变压器，与传统的变压器最大的差异在于铁芯及线圈绕组。平板变压器具有高效能、高频操作及小型化的优点，适合应用于高功率的电源转换器中。

1. 绕组的设计方式

平板变压器的绕组是在PCB上采用螺旋形布线来取代传统的线圈绕组，中间挖空部分用来叠加磁芯材料，并通过绝缘胶带固定。这种结构使变压器非常薄，不仅能减少体积，也能实现更高的功率密度和效率，同时具备良好的热管理性能，下图展示了平板变压器的结构示意图。

绕线使用PCB布线的方式能避免传统变压器在绕线过程中，可能出现的短路、断路及堆叠过程中线移位的风险，同时使用绝缘簿膜或绝缘垫片来做层间绝缘，以降低导线绝缘层受损及隔离电压缺陷的机率。由于平板变压器的平面结构能使绕组紧密的耦合，因此改善了其高频寄生参数，使直流铜阻及漏电感减小。

2. 磁芯的选择

为了避免变压器饱和，平面变压器一般采用铁氧体软磁性材料制成的EE型、RM型及ER型磁芯，其目的是使用较少的匝数得到较大的电感量。如下图所示。

磁芯一旦饱和，变压器的有效电感量将会下降，使得变压器的电压转换效率降低。变压器电感(L)的大小与线圈匝数、导磁材料和磁芯截面面积有关，以下为电感计算公式：

其中：

• Imax：变压器最大电流
• N：线圈匝数
• B：饱和磁通
• A：磁芯截面面积

由(2)式得知，平板变压器的匝数较少，需要选择截面面积较大的磁芯提升电感量，以避免饱和。另外，平面的磁芯结构增大平板变压器的散热面积，有利于其散热，有效地解决传统变压器的问题。

3. 设计时的注意事项

• 绕组布局：PCB绕组的铜箔宽度(Wt)及厚度(H)是根据峰值电流决定的，如以下公式：

其中，

• I：峰值电流
• K：修正系数(一般覆铜线在内层时取0.024，在外层时取0.048)
• T：最大温度(铜的熔点为1060℃)

绕组间隔会影响寄生电容的大小。因此绕组布局应考量电路需求，避免紧密的布线，下图为平板变压器绕组布线的示意图。

其中：

• W：磁芯宽度

• S：每匝绕组间隙

• N：每层绕组匝数

• 而绕组布线宽度反比于匝数。选择适当的布线和间距，以确保有较低的漏电感及寄生电容。

• 绝缘材料：绝缘材料的介电常数越高，变压器的寄生电容越高。因此，选择绝缘材料时必须考虑介电常数值，以选用适当的材料来降低寄生电容。

透过这些设计注意事项，可以确保平板变压器在实际应用中的高效能和可靠性。

变压器特性比较表

平板变压器相比绕组变压器更适用于电源转换器，特别是在高频应用中。以下是两者在主要方面的比较：

结论

平板变压器在高频电源转换器中的应用具有显著的优势，通过使用PCB布线的方式取代传统的铜线绕组，它有效地减少铁损和铜损，提高整体的效率和可靠性，并实现更小的尺寸设计。此外，平板变压器的平面构造优化散热性能，使电源转换器的热量分布更均匀，进一步提升了系统的稳定性。这些优点使得平板变压器成功取代了绕线式变压器，成为实现电源转换器技术进步的关键元件。