平面变压器设计

印制板平面变压器及其设计方法李建兵牛忠霞周东方师宇杰（解放军信息工程大学信息工程学院!#$）摘要介绍印制板平面变压器的结构、特点及应用范围，推导出在满足一定温升条件下最小磁心结构常数的计算公式，在此基础上给出该变压器的设计方法，通过实例证实该方法的实用性，并给出结论。关键词平面变压器印制板设计!引言平面变压器是近年来发展起来的一种新技术，它的成功研制，使电源变压器的体积大为减小，特别是高度得到有效降低，是变压器技术的一次飞跃。同常规变压器相比，除了体积优势以外，平面变压器还有着许多其他独特的优点，如漏感小、损耗低、频率高、便于散热、一致性好等，因此得到了广泛应用。目前平面变压器出现了许多不同的具体实现方法，应用比较广的主要有矩阵式平面变压器、箔式平面变压器、印制板平面变压器等。其中印制板平面变压器又有两种，一种是利用单块多层板来实现；另一种是利用多块双面板来实现。后者集成度稍差，但成本低，应用范围更广，本文研究的就是这种平面变压器。印制板平面变压器印制板平面变压器结构如图 % 所示。该变压器使用的是高度较低，底部面积较大的平面磁心。同常规的漆包线绕组不同，该变压器的绕组是利用印制板上的螺旋形印制线来实现的。印制板中间被挖图 %印制板平面变压器空用于安装磁心。各印制板之间由绝缘胶布或空白印制板绝缘。磁心直接将印制板夹在中间，然后通过胶带或金属夹固定。扁平磁心结构使其高度得到有效的降低。另外由于没有磁心骨架，进一步节省了体积。因此这种平面变压器非常适合于对体积特别是高度有严格要求的应用领域。印制线成扁平状，其厚度一般为 &!。在频率小于 %!()* 时，铜的集肤深度都小于印制线厚度的一半。通常开关电源频率都远小于这个值，集肤效应可以忽略。因此印制板平面变压器适用于高频的应用。平面磁心散热面积较大，提高了磁心的散热性能，在一定程度上提高了变压器的功率密度。印制板结构克服了常规变压器绕组的不确定性因素，一致性好，便于批量生产。另外在不同的印制板之间贴上绝缘胶带后，可以使不同绕组之间的耐压强度得到很大提高，因此可应用于高压领域。该结构还很容易实现一二次绕组的交织以减少漏感。由于印制线非常薄，在大电流的应用领域，即使不考虑集肤效应，其直流损耗也是不可忽略的。要减小直流电阻，只能增加印制线绕组的宽度。这样将占用较多的磁心窗口面积。因此印制板平面变压器不适用于大电流的应用。大电流的情况下，通常直接使用铜箔作绕组。当一层印制板布不下一个绕组时，需要多层印制板相串联。如果绕组匝数过多，需要串联叠加的板层就会太多，这给设计和安装带来了不少困难，也降低了变压器的可靠性。因此印制板平面变压器不适合绕组匝数过多的应用。印制板平面变压器虽然可以有效地降低高度，! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! !电气应用!# 年第 !$ 卷第 ! 期工业控制但在高频下，层与层之间的分布电容的影响不可忽视。从减小体积的角度考虑，层与层之间距离越小越好，但同时分布电容也越大。因此在体积和分布电容之间要进行适当的取舍。综上所述，印制板平面变压器由于其独特的优点，应用领域非常广泛。在高频、高压、中功率的两相开关电源变压器中都可应用。特别是在对体积和温升要求较高的应用中更显示出它的优越性。但它不适合于大电流和绕组匝数过多的应用领域。!最小磁心结构常数的推导传统变压器的设计广泛采用的 ! 法#不适于印制板平面变压器。在印制板平面变压器的设计中，对磁心的选择大多是采用估算和试探的方法$， %， &，对经验的依赖性较强。本文根据磁心和印制板的几何结构关系，在一定温升条件下，推导出了印制板平面变压器最小磁心结构常数计算公式，然后据此选择磁心，该方法满足体积的最优化。为推导方便，假设二次侧只有一个绕组，但该公式对多个二次绕组的情况同样适用。平面磁心结构如图 $ 所示，设窗口长为 !，高为 。印制板横截面如图 # 所示，绕组间距为 #，绕组宽为 #(，印制线厚度为 $，印制板厚度为 #)，印制线与印制板边缘的距离为 %。图 $平面磁心结构（* 型）图 #印制板的横截面设 & 为每层印制板所占用的实际高度。理想情况下，& + #), $。但考虑到板层之间的缝隙以及绝缘材料的厚度，通常 & - #), $。印制线厚度 $ 远小于印制板厚度 #)，可忽略不计。令 & + .#)，其中 .为高度系数，是考虑板层之间间隙的一个常数。根据实际结构可选择 /0/1/0#。% 和 #比较接近，可以合理的令 % + #2$。每层印制板所能布的绕组的匝数( )! * $% + #+ #()!#（/）其中，# + #, #(为绕组间距和绕组宽度之和。窗口所能安装印制板的层数, )&).#)（$）因此一二次绕组匝数可表示为-3) (3,3)!#33.#)（#）-4) (4,4)!#44.#)（%）式中，(3、(4分别为一二次侧每层印制板所能布的绕组匝数；,3、,4分别为一二次侧使用的印制板层数；#3、#4分别为一二次侧导印制线宽度和间距之和；3、4分别为一二次侧印制板占用的磁心窗口的高度。由变压器计算的基本公式-3).3/50162（&）-4).4/50162（7）式中，/5为波形系数；0 为工作磁通密度；16为有效截面积；2 为工作频率。由式（#）和式（%）得! ) !3+ !4) .-3#3#)+ .-4#4#)（8）将式（&） 、式（7）代入式（8）可得! ).3/50162.#3#)+.4/50162.#4#)（9）设一次电流有效值为 33，二次电流有效值为34，当一二次电流密度相同时总温升最小%，设一二次电流密度均为 4，则#3)334$+ #3（:）式中，#3为一次绕组间距。#4)344$+ #4（/;）式中，#4为二次绕组间距。将式（:）和式（/;）代入式（9）得! ).333/501624$.#)+.434/501624$.#)+.3/50162.#)#3+.4/50162.#)#4（/）56! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! !印制板平面变压器及其设计方法电气应用!# 年第 !$ 卷第 ! 期一二次绕组间