摘 要: 大多數(shù)DC/DC變換器都需要隔離變壓器,而平面變壓器技術(shù)在隔離變壓器的許多方面實現(xiàn)了重要的突破。介紹了平面變壓器的結(jié)構(gòu)、性能和使用方法。
關(guān)鍵詞: 隔離變壓器 平面變壓器 開關(guān)電源
在DC/DC變換中,基本的Buck、Boost、Cuk變換器是不需要開關(guān)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(guān)元件與整流元件之間使用開關(guān)隔離變壓器,所以絕大多數(shù)變換器都有隔離變壓器。目前開關(guān)電源的發(fā)展趨勢是效率更高、體積更小、重量更輕,而傳統(tǒng)的隔離變壓器在效率、體積、重量等方面嚴(yán)重制約了開關(guān)電源的進一步發(fā)展。同時由于變壓器涉及到的主要參數(shù)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(xiàn)成的變壓器可供選用,常常要經(jīng)過繁瑣的計算來選用磁芯和繞組導(dǎo)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(shù)不易測量,給使用帶來一定的盲目性,很難在頻率響應(yīng)、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(shù)則在隔離變壓器的許多方面實現(xiàn)了重要的突破。
目前,國外的許多電源產(chǎn)品中都開始采用平面變壓器技術(shù),如蓄電池充電電源、通信設(shè)備分布式電源、UPS等。而國內(nèi)的隔離開關(guān)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(guān)電源開關(guān)高頻的提升和效率提高,使開關(guān)電源產(chǎn)品停留在一個較低的水平。平面變壓器技術(shù)將會為高頻開關(guān)電源的設(shè)計和產(chǎn)品化提供有益的幫助。
傳統(tǒng)變壓器的繞組常常是繞在一個磁芯上,而且匝數(shù)較多。而平面變壓器(單元)只有一匝網(wǎng)狀次級繞組,這一匝繞組也不同于傳統(tǒng)的漆包線,而是一片銅皮,貼繞在多個同樣大小的沖壓鐵氧體磁芯表面上。所以平面變壓器的輸出電壓取決于磁芯的個數(shù),而且平面變壓器的輸出電流可以通過并聯(lián)進行擴充,以滿足設(shè)計的要求。并且平面變壓器原邊繞組的匝數(shù)通常也只有數(shù)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。由于磁芯是用簡單的沖壓件組合而成的,性能的一致性大大提高,也為大批量生產(chǎn)降低了成本。
1 平面變壓器的結(jié)構(gòu)和性能
1.1 結(jié)構(gòu)
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(xiàn)以2個磁芯的平面變壓器為例介紹其結(jié)構(gòu)。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(nèi)壁(圖1b)。兩個磁芯并排放置,相鄰的兩角用銅皮焊接起來,在一個磁芯的一個外側(cè)面上的兩個角上的銅皮用一片銅皮焊接在一起,這里就是平面變壓器次級線圈的中心,如果在這里引出抽頭,就是次級線圈的中心抽頭;在另一個磁芯的一個外側(cè)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(gòu)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(yù)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(jù)功率的大小加裝散熱板)。
1.2 性能
這種結(jié)構(gòu)的變壓器體積小,高度有8mm和12mm兩種。繞線匝數(shù)大大少于傳統(tǒng)的變壓器,結(jié)構(gòu)更緊湊,磁耦合大大優(yōu)于傳統(tǒng)的變壓器,漏抗小于0.2%,所以它可以在更高的頻率下工作,有利于電源轉(zhuǎn)換效率的提高。緊密的磁芯的幾何形狀限制了熱點的產(chǎn)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(yōu)于傳統(tǒng)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(guān)電源中開關(guān)變壓器提供了一個通用的選擇,省去了復(fù)雜的計算、選料和變壓器繞制過程。它在簡化和優(yōu)化設(shè)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(yīng)用在低壓(1~60V)、大電流(30A/每磁芯)的開關(guān)電源或逆變電源的設(shè)計中,對變壓器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)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(shù)參數(shù)。
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(jù)輸出電壓的大小來選用相應(yīng)型號的平面變壓器;
(2)根據(jù)輸出電流的大小來確定并聯(lián)的平面變壓器個數(shù);
(3)根據(jù)輸入輸出電壓的大小來確定變比及原邊繞組的匝數(shù)。
例如,開關(guān)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個并聯(lián);如果用FTI-12×2A-5A(實際就是由5個FTI-12×2A-1A并聯(lián)構(gòu)成),只需要1個。
此外,實際應(yīng)用中還需要知道平面變壓器的變化和原邊線圈的匝數(shù)。變比可用下面公式進行計算:
變比=K×N×P:1
式中,K是系數(shù)。當(dāng)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是并聯(lián)的平面變壓器單元個數(shù)。P平面變壓器原邊匝數(shù)。
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(shù)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(shù)P=20/0.5×5=8。由此可見平面變壓器的原邊繞組的匝數(shù)通常是很少的。
3 結(jié)論
筆者受FTI公司委托在蓄電池充電電源中使用了平面變壓器。根據(jù)本人的使用體會,采用平面變壓器后,開關(guān)頻率為300kHz,轉(zhuǎn)換效率大于95%,整個裝置的體積和重量也大大降低。由于平面變壓器已標(biāo)準(zhǔn)化、系列化、產(chǎn)品化,性能一致性好,使用非常方便。
平面變壓器改變了傳統(tǒng)的開關(guān)變換器中隔離開關(guān)變壓器的設(shè)計思路,為設(shè)計人員提供了更方便、更優(yōu)良的選擇。1998年,它被Electronic Products 雜志評為年度杰出產(chǎn)品。
參考文獻
1 James Lau,K.Kit Sum,Karl Baker.Flat TransformerApplication Note01.Flat Transformer Technology Corp.1998
2 張占松,蔡宣三.開關(guān)電源的原理與設(shè)計.北京:電子工業(yè)出版社,1998
3 王水平,付敏江.開關(guān)穩(wěn)壓電源.西安:西安電子科技大學(xué)出版社,1997