平面变压器功率变换器在低压大电流中的应用（一）
Flat Transformer Power Converter for Low Voltage， High Current Applications

一、摘 要
研制了一只常规半桥直流变换器，输出为5伏150安培。这只变换器采用了一只平面形变压器，使其整个外形很薄（12mm）。由于该平面变压器的优越性能，这只变换器在电流传输特性上要优于其它薄形的变换器。因为变压器的优异的漏感和散热性能，与其它传输一半电流的变换器相比，该变换器的工作温度较低。
这种变压器尤其适合于需要低压输出（3.3和2.2伏）和不损失性能条件下的高绝缘隔离的场合。满载时变换效率为82%。
高频功率变换的发展趋势
在功率变换中采用高频是为了缩小电子系统的体积[1]。高密度电路集成带动了这种趋势，现已发展到次微米级。曾经占据一间房子大小的计算机现在已经摆到了桌面上；而膝上电脑是当今趋势。对便携式电脑的更强大的计算和通讯能力的要求与日俱增。其它工业跟随了同样的尺寸缩小的趋势。随之而来的问题是功率变换器成为系统中最大并常常是最热和最吵的部分。
高频功率变换的基本目标是缩小尺寸。为了使功率变换器的尺寸缩小，必须将每个元件和相关硬件按最大功率密度设计。
如果从缩小散热器尺寸而不是从其它角度考虑，功率密度更高意味着效率更高。重点必须放在设计更低的噪声电平以减少滤波上。
工程上的考虑越来越清楚时，焦点集中在三个主要问题上：(1) 工作频率， (2) 效率， (3) 功率密度。这三个问题中，效率具有特殊性；而没有相应的高工作频率的话，不能得到高功率密度。
因为采用的功率变换拓扑是常规半桥变换器，焦点就集中到了不太突出的平面变压器上。

二、常规变压器的问题
脉宽调制（PWM）变换器的开关波形具有快速的上升沿，在开关电路带有变压器绕组漏感时这将导致电磁干扰（EMI）。可以用缓冲网络来减少这种影响，但是随着工作频率的提高功耗将会增加。
在变压器储能时（开关处于开的时期），初级绕组中的磁化电流产生一个磁场。对于一只理想（完全耦合）变压器，经过次级绕组的所有磁力线没有损失或泄漏。但实际上变压器远没有达到理想状态。并非能有的初级绕组产生的磁力线都与次级绕组耦合。简单地说，不是所有与次级绕组有关的导线和导体都能与储能初级绕组产生的磁通链接。绕组或导体的这一未耦合部分有它自己的电感量，储存在这个“电感”中的能量没有耦合进主功率转换电路中。这一电感量称为漏感。
在变压器释放能量时 (开关处于断，或周期为反向时）， 漏感中存贮的能量以噪声的形式释放出来。在示波器上可以观察到噪声表现为高频瞬变后的高压过冲（尖峰）。尖峰的幅值（）与漏感（）和电流随时间变化率的乘积成正比：

电流随时间的变化率随着工作频率的提高而增大。这就是说漏感的影响将随着变换器开关速率的增加而加剧。
离线式变换器的隔离要求恰恰与为了更好的电磁兼容性而紧密电磁耦合的需要相矛盾。
另一个问题是组间电容。 如果一个变压器绕组由许多层构成，那么顶层和底层之间存在着固有的电位差。当两个导体之间存在电位差时，就形成了一个电容。在高频状态工作时，电容器以令人担忧的速率充放电。因为电容器充放电时要作功，能量消耗在周期的充放电过程中。在给定的时间内周期数越多损耗越大。
当导体中的磁通随时间改变时，在与磁通变化方向垂直的平面内产生一个电场力，使导体中产生电流。称为边缘电流。边缘电流阻碍产生它的场的变化，使场不能立即穿透到材料内部。对于高频交变场，内部场强只是表面场强的一小部分。导体中心表现出更高的交流阻抗，导致电流拥挤在导体表皮附近。这种电流拥挤效应叫做趋肤效应。
趋肤效应这个词用于单个导体中交变电流的重新分配。当两个或更多的载流导体相互靠近时，一个导体的场虽然不加强另一个导体的场，但是影响其它导体的电流分配。这叫做邻近效应，实际上是多个导体的趋肤效应。在多匝绕组中，许多导体相互靠近。多匝绕组中该效应更明显。
对于低输出电压离线式变换器，降压比非常高。一个具有单匝输出绕组的常规变压器需要大约32匝的初级绕组。这个匝比确保了一个具有多种缺陷的多层初级绕组，包括漏感、趋肤效应、邻近效应和组间电容。
常规变压器的另一个问题是在磁芯中央有局部过热点。在做高功率密度设计时这是主要限制。当工作频率提高时，工作磁通密度必须降低以减少热效应；如果不用缩小尺寸，较高的频率是容易获得的。

三、平面变压器
与常规变压器相比，平面变压器由几个小铁氧体磁芯制成。两个磁芯做变压器，一个磁芯做电感。这三个磁芯构成一个变压器/电感模块。许多模块连在一起形成平面形变压器。
这种结构布局消除了常规变压器中的局部过热点问题， 允许在高频高电流密度下工作。
两个铁氧体磁芯形成一个模块中的变压器部分。变压器模块由一对涂复环氧的方形铁氧体组装而成，如图1(c)所示。一对绕组插入每一个磁芯中，粘在内表面和外拐角上。见图1(b)。这对绕组穿过磁芯，呈180度螺旋形，磁芯相对的拐角是各绕组的始端和末端。模块中加入了一个尺寸相似的电感，与变压器部分的中间抽头相连。备用焊片接滤波电容。关于变压器和磁芯的详细资料可以在参考文献（8）中查到。

图1. (a)单个铁氧体磁芯块，(b)具有螺旋单匝绕组的磁芯块，(c)磁芯块连接成一个模块。
次级绕组末端直接连到TO-218共阴极肖特基整流器上。这种方式节省了用户做次级抽头的工作量。通孔是留给后面安装初级绕组用的。
等效变换率由模块的数量和初级匝数的乘积与1的比值决定，即变换率为（×） :1。可以通过增加初级匝数和（或）模块数得到更高的变比。
平面变压器明显适于模块化，在模块化分布式电源系统中具有灵活性，这种特点是其它变压器类型不具备的。因此，在市场上该变压器具有已知的最高电流密度和最小的外形。
图2表示与输出整流器结合的模块不同视图，顶板和底板用于输出连接。
模块的详细电路如图3，电感连在输出端的负边。这种安排使包括抽头的次级绕组预先接好以节省最后的装配工作。

图2 与输出整流器封装的完整的变压器/电感器模块

图3 变压器/电感器模块电路图（每模块5伏30安培）
四、功率变换器演示
利用带有两匝初级的五个平面变压器/电感模块装配了一个750瓦150伏直流半桥变换器，如图4所示。模块与安装在特大散热片上的整流器连接，散热片作为输出端的正极，与整流器的阴极导通。每个模块中还有一个相应尺寸的电感，连接到变压器次级绕
（未完待续）