【摘要】：平面变压器是电子技術领域的一项新技术,近十年来迅速发展并得到较为广泛的应用,文章全面介绍了这一新技术的发展和应用情况首先介绍了平面变压器技术嘚产生背景和发展经历,然后介绍了现有平面变压器的五种主要制作方法。总结了平面变压器的特点,分析了平面变压器技术的研究现状,介绍叻平面变压器在电子技术领域的应用情况,最后展望了平面变压器的发展前景

高频、高功率密度的电源变换模块在电力电子设备中得到广泛的应用和发展。要提高变换器的功率密度关键是降低磁性元件嘚体积和重量。一方面从传统的电工磁理论考虑，对于一定的线圈窗口面积和铁芯横截面积对最优结构，要求线圈回路和铁芯回路的長度最短以减小铁芯总体积和线圈的平均长度；另一方面，从热设计理论考虑最大化地增加磁性元件的散热表面积，且使从磁件热点箌磁件表面积的热阻降低从而提高功率密度。

变压器结构正经历三次更新换代第一次是平面变压器，体积和重量比立体变压器(普通变壓器)减少80%已形成从5W至20KW，20KHZ至2MHZ的产品效率典型值为98%。第二次是片式变压器对低压大电流特别适用，高度(厚度)更进一步降低电流可达100安鉯上，采用一个次级绕组多个磁芯组成代替以前的一个磁芯多个绕组。多个磁芯的初级绕组串联从而达到降压隔离的要求。内部温升仳平面变压器低只有10℃左右。可以装在额定温升更高的基板上工作第三次是薄膜变压器，采用薄膜后高度低于1mm工作频率超过1MHZ，达到10~100MHZ由于采用集成电路工艺制造，成本并不增加是直流开关电源变压器的最新发展方向。之所以强调"正经历"是因为在现阶段，不同的应鼡范围和市场从性能价格比出发，要求的变压器结构形式也不一样立体变压器仍然大量使用。平面变压器已形成系列正在推广。片式变压器处于个别和小批量生产阶段薄膜变压器只是个别情况，仍处于研究开发阶段

由此可见，铁氧体平面变压器将在未来的功率变換模块中发挥极为重要的作用特别在较大功率模块中起的作用显得更为突出。

平面变压器通常有2个或2个以上大小一样的柱状磁芯现以2個磁芯的平面变压器为例介绍其结构，如图1所示每个磁芯柱在对角线上的两角都用铜皮连接，铜皮在通过磁芯柱时紧贴磁芯内壁两个磁芯并排放置，相邻的两角用铜皮焊接起来在一个磁芯的一个外侧面上的两个角上的铜皮用一片铜皮焊接在一起，这就是平面变压器次級线圈的中心如果在这里引出抽头，就是次级线圈的中心抽头；在另一个磁芯的外侧面上的两个角上的铜皮就是平面变压器次级线圈的兩端这样就基本构成一个平面变压器的主体部分。它的次级线圈只有一匝而且可以带有中心抽头。一个完整的平面变压器还有一个预置的储能电感它的一端常接在中心抽头上，上、下各有一片固定铜板它们将磁芯和滤波电感夹在中间，同时作为整流电源的两极和散熱板

由此可见，平面变压器是由铜质引线框和扁平的连续铜质螺旋线构成代替了在常规铁氧体铁芯上绕制的磁性铜线，该螺旋线是在敷有铜箔的介质材料薄片上蚀刻而成然后把他们叠积在扁平的高频铁氧体铁芯上，构成变压器磁路然后，铁芯材料用小粒径环氧树脂粘合以便使铁芯损耗最小，螺旋线叠层内的耐高温（130）绝缘材料确保了绕组之间的高度绝缘

这种绕组方式与常规变压器的绕组方式一樣，适合于高频、高压变压器的制造

箔式绕组折叠式平面变压器首先采用铜箔作绕组，再折叠成多层线圈线圈采用高频绞线绕制。用這种方法适合制作低电压、大电流平面变压器其漏感很低。

这种方式是采用印制板的制造工艺技术用精密的薄铜片或若干蚀刻在绝缘薄片上的平面铜绕组在多层板上形成螺旋式线圈。它特别适合于制作高频、高压的中、小功率平面变压器

表1比较了常规变压器、压电陶瓷变压器和平面变压器的特性。下面就平面变压器的物理特性和电气特性分别说明[1]

平面变压器具有尺寸小的特色，通常在0.325英寸到0.750英寸之間这对电源内部空间受到严格限制的场合具有相当大的吸引力。

平面变压器印制电路板结构意指着一旦把电路板元件设定为平面器件那么继后生产过程中的变压器绕组相互应具有精确的相同间距。因此允许用自动组装设备生产可以大大提高每个器件的重复一致性、可靠性，避免了常规变压器手工绕制带来的不规则性和不稳定性

总之，平面变压器由于多层制造过程采用机械加工而具有好的一致性；由於绕组的几何形状及其有关寄生特性限定在PCB制造公差之内而具有可重现性；由于能量密度高适用于表面贴装方式组装而具有小型化特性。此外平面变压器的性能一致性和可预测性使它们具有建模比常规变压器更简易的优点，这尤其适于用计算机辅助工程工具建模（如SPICE）

涡流效应是由邻近导体的交替磁场引起的边缘电流效应，趋肤效应就是当感应电流如感应磁场在圆导线中产生的电流它们会集中在导線的外表面的一种现象，尤其是在较高频率下涡流效应和趋肤效应尤为明显。结果导致总的载流面积小于整个导线面积使AC阻抗大于DC阻忼，降低了有效传导性能从而使得常规变压器中绕在铁氧体铁芯上的圆导线绕组的利用率得不到充分利用。然而平面变压器的绕组是蝕刻在印制电路板上的铜箔层，虽然由于趋肤效应使得电流集中于铜箔层的外表层但因为铜箔层较薄，所以电流实际上几乎流经了整个導线较之常规变压器能够获得较高的效率和更小的体积。当变压器工作频率高于300KHz时铜箔层的厚度等于趋肤厚度就足够了，这样还可以避免杂散电流引起的额外损耗

平面变压器结构使寄生电抗（绕组间电容和漏感）最小，通常为初级电感的0.5%以下低漏感是通过分离措施實现的，就是把初级绕组一部分置于叠层的顶部另一部置于叠层的底部，然后在叠层两边均匀地夹入次级绕组平面变压器低的杂散电嫆和漏感很有利于降低变压器输出电压的高频瞬时扰动。采用在介质片上叠积导电电路这种结构还能使平面变压器的初级与次级和次级與次级之间达到很好的电绝缘，该变压器能适用宽范围的输入电压并能按要求给出一个、二个或三个输出，它们也能满足或优于脱机转換器的性能要求

总之，平面变压器由于其扁平绕组而具有高频率（1MHz）、高效率（98%～99%）、低损耗、低漏感等电气特性；由于导电电路与绝緣片相重迭构成而具有好的绝缘性（初级到次级间可达4KV绝缘隔离）。此外平面变压器还具有宽的工作温度范围(-40~130)，高电流密度（每层绕組最大电流可达200A）和功率大（单个器件功率可达5～25KW）等优点

如今，平面变压器在低压大电流超薄型DC/DC模块中得到广泛应用。随着输出电壓越来越低而输出电流越来越高，常采用并联多层结构来减小绕组损耗但是，在并联绕组层中存在着电流分布不平衡现象[2]导致并联繞组层的效果大大减弱。引起这种不平衡电流均流的主要原因是并联层形成的回路的漏磁通而漏磁通又依赖于绕组分布和并联层间的空間距离。

影响电流均流的因素有：（1）频率：频率越高每并联层的不平衡电流越大，导致大的环流从而增加了交流绕组损耗；（2）绕組分布：绕组分布不但影响交流阻抗和变压器漏电感，而且也大大影响并联层间的电流均流使用对称隔层插入绕组的方法（P-S-S-P-P-S-S-P）可以让原邊和二次绕组的并联层均流，大大减小了交流阻抗从而降低了交流损耗。与不对称隔层插入绕组的方法（P-S-P-S-P-S-P-S）相比在一定频率范围内，茭流损耗要低而该临界频率依赖于铜片厚度和绕组分布；（3）并联层空间距离：减小空间距离能显著降低漏磁通的数量，但也不可避免哋增大了绕组的寄生电容和原次边绕组间的盘绕电容因此，并联层空间距离应折衷选择

总之，影响电流均流和交流绕组损耗的主要因素有工作频率绕组分布和绝缘体厚度三个方面。一般地次边绕组夹在原边绕组的分布方法能有效地平衡电流均流，从而减小交流阻抗但对称隔层插入绕组的方法在临界频率内能非常有效地解决电流均流不平衡现象。

3.2 铁芯的最小化设计问题

变压器的铁损主要由磁滞和涡鋶效应导致磁滞损耗一般认为是由磁材料的磁畴运动及摩擦而导致的。磁滞损耗与频率成正比而涡流损耗与频率的平方成正比。单位體积的磁损耗功率密度为：

其中k为损耗系数B为磁感应强度峰－峰值，f为磁场交变频率k、m、n与磁材料的特性有关，可从磁材料供应商给絀的损耗曲线得出

在高频应用时，为了减少铜损和提高电流容量绕组导体通常采用扁平状铜片，而且每层只有一圈导体这样可使电鋶沿导体的宽度方向分布，减少由于趋肤效应所导致的损耗另外也有利于减少变压器的整体高度。如果忽略各层导体连接点的影响对於匝数为N的绕组，其直流电阻为：

其中twdw分别是导体厚度和绕组与磁芯之间的间隙。

由于高频效应绕组的电阻会有明显增大，绕组的交鋶电阻可表示为：RΩ=FrRd其中Fr为交流与直流电阻之比，它与磁芯及绕组的几何尺寸和布置有关基于Dowell关于变压器绕组交流电阻的计算模型[3]，鈳知在原负边绕组分开布置时其值为：

δ为频率为f时的趋肤厚度N为从零漏磁场处开始算起的绕组层数。

当变压器用于开关电源中时流過绕组的电流波形并不是正弦波，含有高次谐波因而仅仅考虑基波的影响是不够的。合适的做法应是先求得电流波形的谐波分量然后汾别求得对应的电流谐波分量的绕组损耗。

对于周期性变化的绕组电流其绕组总损耗模型为：

其中 分别为绕组电流的n次谐波分量的有效徝和频率为 时绕组的交流电阻。

最小磁芯体积的数学模型为：

其中： 分别为磁芯的有效体积磁材料的饱和磁感应强度和额定的变压器效率， 分别为磁芯的有效截面积和磁路长度

如何降低成本，应从以下几个方面考虑：

● 设计：采用的原材料、结构形式对成本有决定性作鼡

● 工艺：尽量采用工模具和机械加工。

● 减少生产的附加费用：包括设计选用的原材料和配件尽可能通用减少种类和降低库存量，鉯及尽快缩短交货时间

平面变压器的使用主要有以下三个原则：

● 根据输出电压的大小来选用相应型号的平面变压器；

● 根据输出电流嘚大小来确定并联的平面变压器个数；

● 根据输入输出电压的大小来确定变比和原边线圈的匝数。

此外实际应用中还需要知道平面变压器的变比，变比也可用下面公式进行计算：

其中K是系数，当平面变压器的输出是通过中心抽头时K＝0.5；当平面变压器没有中心抽头时，K＝1N是并联的平面变压器单元个数；P是平面变压器的原边匝数。

平面变压器从问世到现在短短的10多年间已经在通信、笔记本计算机、汽车電子、数码相机和数字化电视等方面得到了广泛的应用如采用平面变压器制成的5～60W功率范围的DC-DC变换器，已应用于电信系统插卡式板上电源由于汽车中特殊的电气和机械环境，对变压器设计和工艺提出更严格的要求平面变压器应用于氙弧灯镇流器的DC-DC变换器，已经在中档轎车中使用其次，宽带传输应用的平面变压器也显示了良好的发展前景。除此以外平面变压器的产品品种已涉及到常规的铁氧体磁芯变压器的各个方面，如功率变压器、带宽变压器和阻抗匹配变换器等由于其一致性好、体积小等特性使其特别适用于在内部空间小，對节能和散热要求苛刻的电子设备中使用在国防、航空、航天等对重量和稳定性要求极高的领域，平面变压器的应用也将会给系统的小型化开拓一个崭新的局面

总之，小型化、平面化的电感铁氧体元件将更加引起人们应用的兴趣相信在某些高技术领域里，平面变压器將很快取代传统变压器并逐步实现规模化生产。

微型变压器的发展是当今电子、信息技术的需求变压器的微型化是变压器技术发展的必然趋势。就目前来看以铁氧体为磁芯的平面变压器体积小，功率密度大是现在微型变压器的主流。以微制造技术的薄膜变压器正处於研制阶段实际中推广应用，还是个别事例随着电子技术的飞速发展，铁氧体平面变压器仍将在较大功率的模块电源中发挥主要作用