采用平面型變壓器抑制高頻變壓器中的漏感和溫升

摘要：本文簡要分析了平面型變壓器在抑制高頻變壓器中的漏感和溫升中的作用。

敘詞：平面型變壓器 高頻變壓器 漏感 溫升 電源

Abstract：The function of planar power transformer in the suppression of leakage inductance and temperature rise of high frequency transformer is presented in this paper briefly.

Keyword：planar power transformer high frequency transformer leakage inductance temperature rise

1.引言

漏感和溫升是高頻變壓器設(shè)計(jì)中兩個(gè)非常重要的問題。漏感過高將使開關(guān)管的應(yīng)力增大，并且對占空比也會產(chǎn)生不良影響。而過度的溫升不但會加劇磁芯損耗，而且將限制開關(guān)變換器開關(guān)頻率的進(jìn)一步提高。采用平面型變壓器可以有效抑制高頻變壓器中的漏感和溫升。

2.漏感

2.1 漏感及其抑制

儲存在電感中的能量可以用下式表示：

由于電感中的能量不能突變，因此當(dāng)功率變壓器中的電流換向時(shí)，將在電感中產(chǎn)生反向感應(yīng)電勢。儲存在漏感中的能量將會引發(fā)功率開關(guān)管的過度瞬變，這將加重吸收電路的負(fù)擔(dān)。而開關(guān)管和吸

收電路上的過度損耗將導(dǎo)致變換器功率下降，并將造成溫升的急劇升高。在某些情況下，還將引發(fā)其他問題，比如驅(qū)動問題。

電感中電流恢復(fù)時(shí)間也稱為死區(qū)時(shí)間，死區(qū)時(shí)間的長短影響到最大占空比。輸出濾波電感中的電流將持續(xù)跌落，直到次級繞組電流完全恢復(fù)后才能重新建立并實(shí)現(xiàn)換向。如果漏感過大，這一瞬態(tài)過程的時(shí)間將相對延長。

漏感的大小與漏磁通有關(guān)，并與繞組匝數(shù)的平方成正比。提高繞組的耦合程度或減少繞組匝數(shù)都可以使漏感下降，其中繞組匝數(shù)對漏感大小的影響非常顯著。例如4匝繞組產(chǎn)生的漏感只有6匝繞組的六分之一。對于傳統(tǒng)變壓器，由于繞組匝數(shù)不可能無限制的減少，因此單純依靠減少繞組匝數(shù)的來降低漏感的方法是不現(xiàn)實(shí)的。雖然增強(qiáng)變壓器繞組間的耦合度也可以降低漏感，但又不得不面對繞組間的絕緣問題。折衷的方法是采用繞組交錯(cuò)繞制的方法，但是這樣做將增加繞組間的寄生電容，而且繞組間的絕緣程度也相對下降，因此這也不是一個(gè)十分有效的方法。

2.2 平面型變壓器的漏感

平面型變壓器的匝比由初級匝數(shù)和組件數(shù)量共同決定。組件數(shù)量多造成的漏感量也較大，但是由于漏感的大小與繞組匝數(shù)的平方成正比，因此控制組件的數(shù)量對漏感的影響就非常顯著了。例如，一個(gè)由四個(gè)組件構(gòu)成的4匝平面型變壓器的漏感僅為16匝傳統(tǒng)變壓器的50%，而其電流容量卻高出了3倍。

平面型變壓器中不存在氣隙，有效去除了磁芯邊緣磁通和雜散磁通的影響。其次級繞組由金屬薄片組成，并固定在磁芯內(nèi)側(cè)。因此次級繞組緊密環(huán)繞在初級繞組四周，幾乎不會產(chǎn)生漏磁。測量變壓器漏感的方法有多種，最常用的方法是在次級繞組短接的條件下測量初級繞組的電感量。但是在功率變換電路中，漏感的大小可以通過di/dt來估算。如果電壓已知，那么漏感的大小可以通過下式計(jì)算得到：

采用這種方法估算出來的電感量偏大，這主要是由變壓器的外接電路造成的，尤其是次級整流電路的影響。

由于平面型變壓器的漏感非常小，因此整個(gè)電路的漏感將主要由外接繞組決定。因此對外接繞組和外接電路的優(yōu)化設(shè)計(jì)是非常重要的。平面型變壓器對高頻特性進(jìn)行了優(yōu)化，所有的關(guān)鍵電路都包含在組件中，極大的降低了設(shè)計(jì)難度。為了最大限度的減小漏感，平面型變壓器須直接與TO-247封裝的整流二極管相連，否則將導(dǎo)致故障的發(fā)生。

3.溫升

3.1　影響溫升的因素

功率變壓器中的溫升問題是變壓器設(shè)計(jì)中最難駕馭的問題之一。從溫度控制原理可知，溫升與功率成正比。而在變壓器中，影響溫升的主要因素則是磁芯損耗和繞組損耗。磁芯損耗和繞組損耗是相對獨(dú)立的，磁芯損耗與磁芯的體積、磁通密度以及頻率有關(guān)，而繞組損耗則與繞組電流和阻抗有關(guān)。變壓器的設(shè)計(jì)必須對其工作點(diǎn)進(jìn)行優(yōu)化，盲目的套用各種公式進(jìn)行設(shè)計(jì)是得不償失的，往往造成變換效率的下降，尤其是在高頻領(lǐng)域。

對溫升產(chǎn)生影響的另一個(gè)因素是導(dǎo)熱性能。如果散熱器足夠大，溫升將保持在一定的水平。散熱面積越大，變壓器的厚度越小，變壓器的導(dǎo)熱性能也越好。如果能夠?qū)嶝?fù)載均勻分布在一較大的空間內(nèi)，同時(shí)增加并聯(lián)通道，熱性能將得到很大的提升。熱負(fù)載分散后，所需散熱器的體積也會相應(yīng)下降。

材料的熱特性對溫升的影響也非常顯著，例如鐵氧體和塑料絕緣材料的導(dǎo)熱性分別僅為銅的百分之一和千分之一。

3.2 抑制溫升的措施

抑制變壓器溫升首先要考慮如何降低損耗，但這是一個(gè)比較棘手的問題。

(1)抑制繞組損耗

在高頻變壓器中必須要考慮交流阻抗的影響，與直流或低頻情況下不同，在高頻條件下，繞組中將存在趨膚效應(yīng)和臨近效應(yīng)，因此線徑越粗，其交流阻抗也越大。這時(shí)最好采用扁平繞組，但是繞組必須要與磁通方向平行，而且層數(shù)也不能太多，否則將引起渦流損耗。注意，扁平繞組一定要遠(yuǎn)離氣隙，否則將受到邊緣磁通的影響。臨近效應(yīng)對多層扁平繞組的影響非常顯著，造成的損耗將是正常水平下?lián)p耗的近百倍。在這種情況下，采用Litz線的作用也不大。因?yàn)長itz線繞制起來比較困難，而且繞組因數(shù)很低。如果使用不當(dāng)，將會導(dǎo)致?lián)p耗的顯著上升。

變壓器外部的繞組不但會增加寄生阻抗和損耗，而且還產(chǎn)生EMI。因此盡量將繞組安排在磁芯內(nèi)部。

(2)抑制磁芯損耗

磁芯損耗往往通過查表得出。注意，損耗隨著磁通密度增加而迅速上升。雖然理論上可以通過降低磁通密度的方法來降低損耗，但這是與使變壓器保持高效率相矛盾的。在磁通給定的條件下，降低損耗的唯一方法只能是增大磁芯有效截面積，但這將增大磁芯的體積。由于體積增大，磁芯的厚度也相應(yīng)增加，磁芯的熱阻將增大，最終會造成磁芯溫度的上升。

與低頻變壓器一樣，高頻變壓器中飽和磁通密度也是影響磁芯體積的決定性因素。變壓器的最優(yōu)設(shè)計(jì)應(yīng)當(dāng)具有最大的工作磁通密度、最小的磁芯體積和最大的磁芯有效截面積，并且工作效率最高，漏感最小、損耗和溫升最低。

3.3 平面型變壓器的熱特性

平面型變壓器的基本組件是帶有矩形通孔的矩形磁芯，如圖1所示。組件通常成對使用，如圖1(c)所示。一對磁芯組件構(gòu)成單匝推挽繞組，有時(shí)也稱為2匝中心抽頭繞組。

從圖中可以看出，平面型變壓器磁芯組件是不帶氣隙的，因此不存在邊緣磁通，而且磁阻最小。繞組扁而寬，并且與磁通路徑平行，其有效截面積很大。

實(shí)際應(yīng)用當(dāng)中，平面型磁芯通常是以模塊形式出現(xiàn)，內(nèi)部配有濾波電感，整流管、濾波電容也可以集成模塊內(nèi)部，模塊的數(shù)量決定了初級繞組的匝數(shù)。圖2所示為一個(gè)匝比為10:1的降壓式平面型變壓器。該變壓器由5只模塊組成，其匝比等于模塊數(shù)與初級匝數(shù)的乘積，即5×2=10。在大多數(shù)應(yīng)用中，平面型變壓器在工作過程中并不需要散熱器，但是由于整流二極管需要散熱，因此最好將磁芯和整流二極管都一起固定在散熱器上。散熱器可以作為次級電路的正極，匯流條可以作為次級電路的負(fù)極。功率MOSFET則固定在磁芯的外側(cè)。

匝數(shù)的減少可有效降低臨近效應(yīng)的影響。由于初級繞組位于次級繞組內(nèi)部，因此耦合度很高。初級繞組到次級繞組之間的傳熱路徑非常短，對于降低繞組的溫升作用很大。

4.小結(jié)

平面型變壓器技術(shù)為高頻變壓器漏感和溫升問題的解決提供了理想的解決方案。由于平面型變壓器對磁芯和繞組進(jìn)行了優(yōu)化處理，并采用了模塊形式，極大的提高了高頻變換器中變壓器設(shè)計(jì)的靈活性，設(shè)計(jì)難度大大降低。與相同功率的傳統(tǒng)變壓器相比，平面型變壓器的溫升非常低，相應(yīng)散熱器的尺寸也大為減小。而且，平面型變壓器的漏感很低，不但降低了開關(guān)管的應(yīng)力和損耗，而且簡化了吸收電路的設(shè)計(jì)。

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