基于变压器的开关电源设计

基于变压器的开关电源设计

0功能密度和频率作为开关的一个功能源，磁体的体积、重量和损失在整个机器中所占的比例相当大。据统计,磁性元件的重量一般是变换器总重量的30%~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,磁性元件还是影响开关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,一个关键是提高其中磁元件的功率密度,降低磁性元件的体积和重量。21世纪是信息网络时代,通信设备使用的模块电源,对变压器提出更严格的要求,如小尺寸,低剖面,大输出电流,最小的电磁辐射。这样传统变压器已经成为制约开关电源技术进一步发展的一个因素。而平面变压器因为其特殊的平面结构和绕组的紧密耦合,不但具有高功率密度的特点,还使得其高频寄生参数得到了很大的降低,极大改进了开关电源的工作表现。因此,近年来其在开关电源,特别是高频领域得到了广泛的应用。本文综述了近年来平面变压器技术的发展,与传统变压器进行比较,分析了平面变压器在当今开关电源发展应用的优势和前景,并进一步介绍了平面变压器的设计要点。1多层板平面变压器传统的绕线变压器通常由铁氧体磁芯及铜线圈构成,匝数较多、体积庞大而且容易产生电磁干扰。平面变压器与传统的绕线变压器最大的区别就在于磁芯及线圈绕组。它多采用小尺寸的高磁导率功率铁氧体磁芯,在高频下有较低的磁芯损耗;由于高频集肤效应影响和要求通过大电流,普通的绕线技术在平面变压器中已不能适应,其绕组采用多层印刷电路板迭绕而成,然后迭放在磁芯上构成变压器的磁回路。在图1中表示出了一种典型的多层板平面变压器结构。平面变压器的这种结构决定了它具有低的直流铜阻、低的漏感和分布电容,降低了其在高开关频率时趋肤效应的损耗,也就是传统说法的涡流损耗。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的多。同时也有效地解决了体积、高频及射频干扰问题,为开关电源的轻型化、小型化提供了可能。2平面变压器ws特点目前使用比较多变压器有:常规变压器、压电陶瓷变压器和平面变压器。将三种类型的变压器的性能进行比较,见表1。从表1可以看出平面变压器在转换效率、工作频率温度范围、体积和EMI辐射方面有着很大优势。与传统绕线变压器相比,它还具有许多优点:(1)剖面低,组装性能好;(2)功率密度高,比传统变压器的功率密度高3倍;(3)高电压、高电流。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)低漏感,约为初级电感的0.2%左右;(5)参数稳定,可重复特性好;(6)热通道距离短,温升低,散热面积大,散热效果好;(7)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。鉴于平面变压器的上述种种技术参数上的优越性,它可以广泛应用在笔记本电脑、数码相机、数字化电视、通信电源、汽车电子等领域。目前佩顿公司已能提供功率为5~25kW,频率为50kHz~2MHz的一系列PM产品。一只200W的低高度平面变压器仅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%。在汽车等特殊的电气和机械环境里,对变压器设计和工艺提出更严格的要求,目前平面变压器已经在中档轿车中使用。另外,宽带传输应用的平面变压器,也显示了良好的发展前景。3平面压力设计3.1绝缘材料的容性效应平面变压器的漏感值与其绕组间距有关,可以通过调整绕组间的距离调整漏感的大小。在图2、图3中给出了在不同的绕组间距下漏感和交流阻抗的变化。可以看出间隙越大,漏感越大,交流阻抗越小,而且变化的趋势很明显。因此,从减小漏感的角度出发,在满足电气绝缘需要的情况下,应该选用最薄的绝缘体,从而获得最小的漏感值。但是绕组间的容性效应也是需要考虑的,印制电路板上紧密结合的导线间的容性效应非常明显。绝缘材料的选取对容性值也有着非常大的影响,绝缘材料的容性越高,将会使得变压器的容性值越高。而容性效应会引起EMI,因为从初级到次级的绕组中只有容性回路的绕组传播这种干扰。因此如果需要一个比较低的电容值,则需要在漏感和电容值之间做出一个平衡的选择。3.2变压器交流阻抗测试交叉技术是指在布置变压器原、副边绕组的时候使得原边绕组和副边绕组交替放置,增加原、副边绕组的耦合,减小漏感,同时使得各层绕组电流平均分布,减小变压器损耗。绕组交叉技术的研究可分为两个方面:应用于变压器的交叉(正激电路)和应用于连接电感器的交叉(反激电路)。因此交叉技术现在已经被放在不同的拓扑中作为不同的磁性部件来研究。应用于变压器中的交叉技术的主要优点有:(1)在变压器中磁性能量储存空间的减少,导致漏感的减少;(2)电流传输过程中在导体上的理想分布,导致交流阻抗的减少;(3)绕组间更好的耦合作用,更低的漏感。在图4中,表示出了三种应用了交叉技术的不同绕组结构。P代表初级绕组,S代表次级绕组。图4(a)中的绕组叠放方式为P-S-P-S-P-S-P-S结构;图4(b)中的绕组叠放方式为P-S-P-S-S-P-S-P结构;图4(c)中的绕组叠放方式为P-S-S-P-P-S-S-P结构。三种结构都运用了交叉技术,但因为P-S-P-S-P-S-P-S结构初次级绕组都是间隔交叉的,更充分地耦合,高频工作条件下表现最优。图5表示出了500kHz频率下,三种结构的交流阻抗关系,通过比较可以很容易发现高频工作条件下(>370kHz)图4(a)的交流阻抗是最小的。图6表示出了500kHz时三种结构的漏感值的关系,图4a中P-S-P-S-P-S-P-S结构漏感值同样最小。尽管采用绕组交叉技术具有显著的优点,但仍有一些问题需要考虑。例如,变压器中产生出较多的端子,初级和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,将会要求额外数量的屏蔽物。3.3基于现代进程的平面变压器设计平面变压器的优点在前面已经论述了,但是它最主要的缺点就是设计的过程非常复杂,设计成本高。文献给出了一种标准的设计平面变压器的程序步骤,大大简化了设计过程。它提供了一个标准的匝数设计,能够被用于不同的平面变压器中。以基于RM磁芯的平面变压器设计为例。图7给出了一系列与RM磁芯配套的PCB绕组,每一行四层结合作为一套绕组。可以参照它按实际变压器初、次级需要的匝数和电流设计合适的PCB绕组。图8表示出了RM磁芯与PCB绕组结合方式。该系列PCB绕组形状与RM磁芯相匹配,结合后成为规则的几何形状。PCB布线时,铜箔高度可按照对应于最大开关频率时的趋肤深度选取,以减少集肤效应的影响。具体的设计步骤和注意事项请参阅文献、。4变压器的设计随着现代开关电源技术的发展,传统线绕变压器已经越来越不适宜用于一些高频DC/DC变换器及其它应用中。平面变压器由于其高功率密度、宽工作频