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平板变压器生产工艺与设计分析
- 2018-04-16-

磁性元件不仅是电源中的功能元件,同时其体积、重量、损耗在 整机中也占相当比例。磁性元件的重量一般是变换器总重量的35%~40%,体积占总体积的20%~30%,对于模块化设 计的高频电源,磁性元件的体积、重量所占的比例还会更高。另外,磁性元件还是影响电源输出动态性能和输出纹波的一个重要因素。因此,要提高开关电源的功率密度、效率和输出品质,关键是要提高其中磁元件的功率密度,降低磁性元件的体积和重量。平板变压器生产因其特殊的平板结构和绕组的紧密耦合,改善了高频寄生参数,也极大的优化了开关电源的工作表现。

1、平板变压器与传统变绕线变压器的优势 

1)体积更小,剖面低。由于平板变压器采用了高性能的宽温低损耗,高BS铁氧体磁芯,缩小了变压器的体积,一般高度均小于20mm.

2)高功率密度。由于平板变压器结构上的优势,使得比传统变压器的功率密度高2-3倍。

3)高电压、高电流。在平板变压器中,导线实际是一些平板导体铜线,因而电流密度大,每层绕组最大电流可达200A,次级升压 可达20kV以上。

4)大功率。单个变压器功率可达0.5kW~ 25kW.
5)高效率。可达到98%~99%。
6)低漏感。约为初级电感的0.2%左右。
7)工作频率范围宽。频率范围为宽到50kHz~2MHz.
8)工作温度范围宽。-40°C~130°C。

9)可预先加工好的绕组,参数稳定可重复特性好。

10)散热更好。热通道距离短,温升低,散热面积大,热传导效果好。

11)低EMI辐射。高效磁芯屏蔽,从而可抑制射频干扰。

12)高绝缘性。绕组之间、初/次级及次/次级间具有高绝缘性,初/次级间绝缘隔离可达4kV.

鉴于平板变压器的上述种种技术参数上的优越性,它可以广泛应用大功率领域。广东平板变压器生产厂家瑞格精密RIGIR一只200W的低高度平板变压器仅14mm高 ,比传统的高频产品体积小,重量也轻了许多。由于其寄生电抗极小。 即绕组间电容和漏电感极小。故效率高达97% ,最高工作频率为2MHz,漏抗小于0.2%。目前国外已经生产出5mm×5mm×5mm的微型变压器和厚薄仅为0.2mm的平板变压器,由于汽车中特殊的电气和机械环境,对变压器设计和工艺提出更严格的要求。平板变压器已经在汽车电子中使用。

2、平板变压器的分类 

平板变压器可以分为独立式和嵌入式平板变压器。

独立式平板变压器是利用扁平铜制引线框架或者印刷铜板的铜线为绕阻而构成。精密的铜制引线框架或印制绕组使设计规格比线绕变压器更精致,器件间的重复性水平也得到提高。

蚀刻铜制引线框架或印制型绕阻被堆叠在平板中,与高频铁氧体磁芯构成变压器的磁路。该设计使其成为一个非常低剖面的变压器组件。在平面设计中实现的横截面积铜导体使大功率密度和电流的设计变得更加容易。平面从生产的⻆角度来看,平板变压器也优于线绕变压器。从绕线到绝缘处理到焊锡,全面减少成本。

嵌入式变压器利用DC/DC转换器的电路板作为绕组,它用独立式平面变压器占用空间更小。但它每一组输入/输出电 压都需要设计不同的电路板,而且,对于嵌入式平面设计,因为蚀刻线圈需使用多层电路板,所以总体成本较大。一些混合设计利用主板作为初级绕线,然后用分离的PCB作为次级来产生不同的输出电压。虽然嵌入式设计达到大功率密度并拥有良好的热性能以实现空间节约的特性,但是,成本、缺乏灵 活性和可互换性都是劣势。

 

3、平板变压器的结构 

传统的绕线变压器由铁氧体磁芯及多层铜线圈构成,所以体积大而且容易产生电磁干扰。瑞格精密平面变压器采用小尺寸的E型、RM 型或PQ型铁氧体磁芯,在高频宽温下有很低的磁芯损耗;大电流通过时高BS性能也不容易饱和,绕组采用多层印刷电路板迭绕成,然后组合在平面的高频磁芯上 构成变压器的磁回路。下图表示出了艾默生公司设计的典型的多层板平面变压器结构。这种设计有低的直流铜阻、低的漏感和分布电容,可 满足谐振电路的设计要求,由于磁芯良好的磁屏蔽,又可抑制射频扰。平面变压器原边绕组的匝数通常较少,不仅 有效降低了铜损和分布电容和电抗,而且为平板变压器生产带来了很大的便利。磁芯性能的一致性,也为批量生产降低了成本。为电源变换器的轻型化、小型化提供了更多可能。

常见的平板变压器铁芯有带夹槽和夹槽两种。带夹槽变压器适用于高温升场合,且比较牢固。带夹槽铁芯通过钢夹来; 无夹槽铁用心制成的变压器高度带夹槽的变 压器要低。无夹槽铁芯之间的固定采用胶合的方式。

 

4 平板变压器设计 

4.1绕组间距选择 

平面变压器利用铜箔与电路板间的紧密结合, 使得在相邻的匝数层间的间隙非常的小,因此能量损耗也就很小了。在平面型变压器,其“绕组”是做在印制电路板上的扁平传导铜线或是直接铜泊。扁平的何形状降低了高频时趋肤效应的损耗,即涡流损耗。因此, 能更有效地利⽤铜导体的表面导电性能,效率要比传统变压器高很多。但平面变压器、侧绕组之间的间距小,储存磁能少,所以漏感也小,但这样却使得、二次侧产生的寄生电容变小。另外,PCB绕组的可重复化特 性是以增大磁芯绕线窗中绝缘材料的比例为代价,所以降低了铜填充系数,也限制了线圈匝数。

在不同的绕组间距下漏感和交流阻抗会有非常大的变化。间隙越大,漏感越大,交流阻抗越小。在间 隙增加1mm的状况下漏感值增加了五倍之多。因此在满足电⽓绝缘需要的情况下,应该选用更细的绝缘体来获得最小的漏感值。

 

可以设计交错了初级和次级绕线,以减少不合需要的漏电感。一个直接的“三明治”式初级-次级-初级或次级-初级-次级能够减少漏电感。漏电感将导致不完整的耦合,损耗和瞬态电压等缺陷 . 尽管采用交叉绕组具有显著的优点,但仍有一些重点需要考虑。例如,因有比较多的端子,初级与次级电路的隔离变得更加困难。而且,设计要求初级和次级之间EMI 屏蔽,将会增加额外的屏蔽设计。

4.2 平板变压器生产设计步骤 

平板变压器最主要的缺点就是设计的过程非常复杂,设计成本高。所以如果能通过提供了一个标准的匝数设计,就能够被使用与不同的平面变压器当中。

在双面PCB板的每一层都是由少到多匝的绕组组成的,而且所有的层都保持着相同的物理特性:相同的形状和相同的外部连 接点。在有些多匝的层次中,这个外部连接点是不同匝数间的电性连接点。如果有些单匝层,它也可以被印刷在PCB的双面,降低交流阻抗。若使用铜箔直接印在PCB板上来替代传统的导线,这个特性使得更多的环境中,变压器都能依旧能保持小的体积。铜箔应按照对应于最多的开关频率时的趋肤 深度选取,这样可以使铜箔的所有部分尽可能完整的都成为电流通路,这样可以减少积肤效应得影响。

5、结论 

显然,线绕变压器已经逐步不适宜于DC/DC变换器。大体积、低效率和不能满足制造重复性,将意味着正快速的被新技术取代。平面变压器在减小漏感、交流 阻抗等方面有优势,且因为体积的小巧,深圳平板变压器生产价格也越来越有优势,使之成为很有前景的磁性元件。