工程師講解：高頻平板變壓器的設(shè)計(jì)原理及存在問(wèn)題

1引言

變壓器一直是電源設(shè)備和裝置，縮小體積、提高功率密度、實(shí)現(xiàn)模塊化的一只攔路虎。雖然高頻變換技術(shù)引入電源后，可以甩掉體積龐大的工頻變壓器，但還需使用鐵氧體磁芯的高頻變壓器。鐵氧體磁芯高頻變壓器的體積雖比工頻變壓器小，但離開(kāi)模塊化的要求還相差很遠(yuǎn)。它不但體積還嫌大，而且它的發(fā)熱量，漏電感都不小。因此近幾年來(lái)，許多專家、學(xué)者、工程師一直在研究解決這個(gè)問(wèn)題的辦法。高頻平板變壓器的研制開(kāi)發(fā)成功，就使變壓器技術(shù)發(fā)生一個(gè)飛躍。它不但能使變壓器的體積縮小很多，而且還能使變壓器內(nèi)部的溫升很低、漏電感很小，效率可做到 99.6%，成本比一般同功率的變壓器低一半。它可用于單端正、反激，半橋，全橋和推挽變換器中作AC/DC和DC/DC變換器用。它對(duì)低電壓、大電流的變換器特別適用。所以用它來(lái)做當(dāng)代計(jì)算機(jī)電源特別合適。

2運(yùn)行在高頻情況下常規(guī)變換變壓器存在的問(wèn)題

(1)漏電感(簡(jiǎn)稱漏感)

理想的變壓器(完全耦合的變壓器)原邊繞組產(chǎn)生的磁通應(yīng)全部穿過(guò)副邊繞組，沒(méi)有任何損失和泄漏。但實(shí)際上常規(guī)的變換變壓器不可能實(shí)現(xiàn)沒(méi)有任何損失和泄漏。原邊繞組產(chǎn)生的磁通不可能全部穿過(guò)副邊繞組。非耦合部分磁通就在繞組或?qū)w中有它自己的電感，存貯在這個(gè)“電感”中的能量不和主功率變壓器電路相耦合。這種電感我們稱之為“漏感”。理想變換器對(duì)絕緣的要求和為了要得到很低的電磁干擾(EMI)而需要很緊的電磁耦合以減小漏感的要求，是相互矛盾的。

當(dāng)變壓器不通電(轉(zhuǎn)向脫離電源或開(kāi)關(guān)處于關(guān)斷期間)時(shí)，漏感存貯的能量要釋放出來(lái)形成明顯的噪音。在示波器上能看到此噪音的高頻尖峰脈沖波形。高頻尖峰脈沖波形的幅值Uspike和漏感Lleak與電流相對(duì)時(shí)間變化率的乘積成正比。即：|Uspike|=Lleakdi/dt(1)

當(dāng)工作頻率升高，電流相對(duì)時(shí)間的變化率也就增加。漏感的影響將更嚴(yán)重。漏感的影響和變換器的開(kāi)關(guān)速度成正比。漏感產(chǎn)生過(guò)高的尖峰脈沖會(huì)損壞變換。

(a)常規(guī)變換變壓器(b)平板變壓器

器中的功率器件并形成明顯的電磁干擾(EMI)。為了降低漏感產(chǎn)生的尖峰脈沖幅值Uspike，而在變換器電路中必須加入緩沖網(wǎng)絡(luò)。但緩沖網(wǎng)絡(luò)的加入，會(huì)增大變換器電路的損耗。使變換器電路隨工作頻率提高，損耗增加，效率降低。

(2)繞組間電容

當(dāng)變壓器的繞組是多層繞組時(shí)，則頂層繞組和底層繞組之間就有電位差。兩個(gè)導(dǎo)體之間有電位差，就存在電容。這個(gè)電容就稱為“繞組間電容”。當(dāng)工作在高頻時(shí)，這個(gè)電容會(huì)以驚人的速率進(jìn)行充電和放電。電容充電和放電過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生損耗。在給定的時(shí)間內(nèi)，它充電和放電的次數(shù)愈多，損耗就愈大。

(3)趨膚效應(yīng)

(4)鄰近效應(yīng)

(5)局部過(guò)熱點(diǎn)

常規(guī)的變換變壓器工作在高頻時(shí)，其磁芯中部會(huì)有局部過(guò)熱點(diǎn)。因此，為了減小熱效應(yīng)，常規(guī)變換變壓器的工作頻率提高時(shí)，就必須相應(yīng)地減小其磁通密度，增大其體積。這就使得無(wú)法用它去做高功率密度的電源。

對(duì)于低輸出電壓理想型變換器來(lái)說(shuō)，它的降壓比是很高的。用常規(guī)變換變壓器時(shí)，通常1匝輸出繞組，大約需要32匝原邊繞組。這樣，原邊繞組就需多層布置，因而漏感和繞組間電容大、趨膚效應(yīng)和鄰近效應(yīng)嚴(yán)重等不利因素在變換變壓器中都存在。3常規(guī)變換變壓器和平板變壓器比較

常規(guī)變換變壓器通常是由單磁芯多原邊繞組組成，而平板變壓器是由單匝(或幾匝)原邊繞組和多磁芯組成。這些磁芯都裝有單匝的副邊繞組并封裝成模塊，如圖1所示。

(1)常規(guī)變換變壓器由于它的原邊繞組匝數(shù)多，所以漏感比較大，而平板變壓器單匝(或幾匝)原邊繞組和單匝的副邊繞組耦合很緊，所以漏感很小。30A平板變壓器的漏感僅2.0nH。所以把它用在快速開(kāi)關(guān)電路中時(shí)，不但損耗很小，而且還能減輕電路中其它部件承受的應(yīng)力。

(2)平板變壓器的頻率特性比常規(guī)變換變壓器好。平板變壓器可工作在(100～500)kHz頻率之間。(3)平板變壓器能直接緊貼底板固定，所以它的散熱條件很好。這種專用變壓器是一種體積很小而又具有很大表面積的元件。所以它不存在局部過(guò)熱點(diǎn)的問(wèn)題。