工程師講解:高頻平板變壓器的設計原理及存在問題

2021-01-09 電子產品世界

1引言

本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/227344.htm

變壓器一直是電源設備和裝置，縮小體積、提高功率密度、實現模塊化的一隻攔路虎。雖然高頻變換技術引入電源後，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，但離開模塊化的要求還相差很遠。它不但體積還嫌大，而且它的發熱量，漏電感都不小。因此近幾年來，許多專家、學者、工程師一直在研究解決這個問題的辦法。高頻平板變壓器的研製開發成功，就使變壓器技術發生一個飛躍。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。它可用於單端正、反激，半橋，全橋和推挽變換器中作AC/DC和DC/DC變換器用。它對低電壓、大電流的變換器特別適用。所以用它來做當代計算機電源特別合適。

2運行在高頻情況下常規變換變壓器存在的問題

(1)漏電感(簡稱漏感)

理想的變壓器(完全耦合的變壓器)原邊繞組產生的磁通應全部穿過副邊繞組，沒有任何損失和洩漏。但實際上常規的變換變壓器不可能實現沒有任何損失和洩漏。原邊繞組產生的磁通不可能全部穿過副邊繞組。非耦合部分磁通就在繞組或導體中有它自己的電感，存貯在這個「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」。理想變換器對絕緣的要求和為了要得到很低的電磁幹擾(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。

當變壓器不通電(轉向脫離電源或開關處於關斷期間)時，漏感存貯的能量要釋放出來形成明顯的噪音。在示波器上能看到此噪音的高頻尖峰脈衝波形。高頻尖峰脈衝波形的幅值Uspike和漏感Lleak與電流相對時間變化率的乘積成正比。即：|Uspike|=Lleakdi/dt(1)

當工作頻率升高，電流相對時間的變化率也就增加。漏感的影響將更嚴重。漏感的影響和變換器的開關速度成正比。漏感產生過高的尖峰脈衝會損壞變換。

(a)常規變換變壓器(b)平板變壓器

器中的功率器件並形成明顯的電磁幹擾(EMI)。為了降低漏感產生的尖峰脈衝幅值Uspike，而在變換器電路中必須加入緩衝網絡。但緩衝網絡的加入，會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

當變壓器的繞組是多層繞組時，則頂層繞組和底層繞組之間就有電位差。兩個導體之間有電位差，就存在電容。這個電容就稱為「繞組間電容」。當工作在高頻時，這個電容會以驚人的速率進行充電和放電。電容充電和放電過程中會產生損耗。在給定的時間內，它充電和放電的次數愈多，損耗就愈大。

(3)趨膚效應

(4)鄰近效應

(5)局部過熱點

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

對於低輸出電壓理想型變換器來說，它的降壓比是很高的。用常規變換變壓器時，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、趨膚效應和鄰近效應嚴重等不利因素在變換變壓器中都存在。3常規變換變壓器和平板變壓器比較

常規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並封裝成模塊，如圖1所示。

(1)常規變換變壓器由於它的原邊繞組匝數多，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關電路中時，不但損耗很小，而且還能減輕電路中其它部件承受的應力。

(2)平板變壓器的頻率特性比常規變換變壓器好。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熱點的問題。

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