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而平面變壓器技術在隔離變壓器的許多方面實現了重要的突破。介紹了平面變壓器的結構、性能和使用方法。

本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/233503.htm

關鍵詞：隔離變壓器 平面變壓器 開關電源

在ＤＣ／ＤＣ變換中，基本的Ｂｕｃｋ、Ｂｏｏｓｔ、Ｃｕｋ變換器是不需要開關隔離變壓器的。但如果要求輸出與輸入隔離，或要求得到多組輸出電壓，就要在開關元件與整流元件之間使用開關隔離變壓器，所以絕大多數變換器都有隔離變壓器。目前開關電源的發展趨勢是效率更高、體積更小、重量更輕，而傳統的隔離變壓器在效率、體積、重量等方面嚴重製約了開關電源的進一步發展。同時由於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，常常要經過繁瑣的計算來選用磁芯和繞組導線，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意效果。平面變壓器（Ｆｌａｔ Ｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒ技術則在隔離變壓器的許多方面實現了重要的突破。

目前，國外的許多電源產品中都開始採用平面變壓器技術，如蓄電池充電電源、通信設備分布式電源、ＵＰＳ等。而國內的隔離開關變壓器在材料、工藝等方面與國外先進國家有一定差距，阻礙了開關電源開關高頻的提升和效率提高，使開關電源產品停留在一個較低的水平。平面變壓器技術將會為高頻開關電源的設計和產品化提供有益的幫助。

傳統變壓器的繞組常常是繞在一個磁芯上，而且匝數較多。而平面變壓器（單元）只有一匝網狀次級繞組，這一匝繞組也不同於傳統的漆包線，而是一片銅皮，貼繞在多個同樣大小的衝壓鐵氧體磁芯表面上。所以平面變壓器的輸出電壓取決於磁芯的個數，而且平面變壓器的輸出電流可以通過並聯進行擴充，以滿足設計的要求。並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，而且為繞制帶來了很多便利。由於磁芯是用簡單的衝壓件組合而成的，性能的一致性大大提高，也為大批量生產降低了成本。

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個或２個以上大小一樣的柱狀磁芯（圖１ａ）。現以２個磁芯的平面變壓器為例介紹其結構。每個磁芯柱在對角線上的兩角都用銅皮連接，銅皮在通過磁芯柱時緊貼磁芯內壁（圖１ｂ）。兩個磁芯並排放置，相鄰的兩角用銅皮焊接起來，在一個磁芯的一個外側面上的兩個角上的銅皮用一片銅皮焊接在一起，這裡就是平面變壓器次級線圈的中心，如果在這裡引出抽頭，就是次級線圈的中心抽頭；在另一個磁芯的一個外側面上的兩個角上的銅皮就是平面變壓器次級線圈的兩端（圖１ｃ）。這樣就基本構成一個平面變壓器的主體部分。它的次級線圈只有１匝，而且可以帶有中心抽頭。一個完整的平面變壓器還有一個預置的儲能電感（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，同時作為整流電源的兩極（圖１ｄ）和散熱板（實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。繞線匝數大大少於傳統的變壓器，結構更緊湊，磁耦合大大優於傳統的變壓器，漏抗小於０．２％，所以它可以在更高的頻率下工作，有利於電源轉換效率的提高。緊密的磁芯的幾何形狀限制了熱點的產生，降低了熱耗，因此允許更高的能量密度。同時本身的散熱條件大大優於傳統的變壓器。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，它為開關電源中開關變壓器提供了一個通用的選擇，省去了複雜的計算、選料和變壓器繞制過程。它在簡化和優化設計的同時，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）的開關電源或逆變電源的設計中，對變壓器的拓撲結構沒有限制。表１列出了ＦＴＩ－１２×２Ａ－ＸＡ系列平面變壓器的主要技術參數。

表1 FTI-12×2A系列扁平變壓器的主要技術參數

型 號	1A	2A	3A	4A	5A
容量/W	200	400	600	800	1000
輸出電壓/V Min (250kHz) Type Max	1 5 15
最大輸出電流/A	40	80	120	160	200
磁芯截面積/CM2	0.68	1.36	2.04	2.72	3.4
磁路長度/CM3	2.8
磁芯體積/CM3	2.0	4.0	6.0	8.0	10.0
鐵損（250kHz， Bm=80mT，Vout=5V)	400mW	800mW	1.2W	1.6W	2.0W
洩漏電感（Per turn sq.)	4nH	8nH	12nH	16nH	20nH

2 平面變壓器的使用

平面變壓器的使用主要有以下三個原則：

（１）根據輸出電壓的大小來選用相應型號的平面變壓器；

（２）根據輸出電流的大小來確定並聯的平面變壓器個數；

（３）根據輸入輸出電壓的大小來確定變比及原邊繞組的匝數。

例如，開關電源輸出電壓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個並聯；如果用ＦＴＩ－１２×２Ａ－５Ａ（實際就是由５個ＦＴＩ－１２×２Ａ－１Ａ並聯構成），只需要１個。

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

變比＝Ｋ×Ｎ×Ｐ：１

式中，Ｋ是係數。當平面變壓器的輸出是通過中心抽頭時，Ｋ＝０．５；平面變壓器無中心抽頭時，Ｋ＝１。Ｎ是並聯的平面變壓器單元個數。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公司委託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，採用平面變壓器後，開關頻率為３００ｋＨｚ，轉換效率大於９５％，整個裝置的體積和重量也大大降低。由於平面變壓器已標準化、系列化、產品化，性能一致性好，使用非常方便。

平面變壓器改變了傳統的開關變換器中隔離開關變壓器的設計思路，為設計人員提供了更方便、更優良的選擇。１９９８年，它被Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｐｒｏｄｕｃｔｓ 雜誌評為年度傑出產品。