引言隨著對高功率密度需求的增加，功率轉(zhuǎn)換器的封裝尺寸越來越小。傳統(tǒng)變壓器的特點是體積大、效率低，阻礙了隔離式電源轉(zhuǎn)換器的小型化進(jìn)程。如今，平面變壓器正在逐漸取代繞線變壓器，不僅減小了電源轉(zhuǎn)換器的尺寸，而且顯著提高了轉(zhuǎn)換效率。本文解釋了常見的變壓器損耗、平面變壓器的結(jié)構(gòu)、設(shè)計考慮因素，并在轉(zhuǎn)換效率、尺寸和系統(tǒng)可靠性方面將它們與繞線變壓器進(jìn)行了比較。介紹隔離式電源轉(zhuǎn)換器的作包括在初級側(cè)存儲能量，并使用晶體管開關(guān)中斷輸入電路，將存儲在變壓器磁芯中的能量轉(zhuǎn)移到次級側(cè)進(jìn)行電壓轉(zhuǎn)換。在此過程中，變壓器決定了大部分電壓轉(zhuǎn)換效率，并占據(jù)了轉(zhuǎn)換器面積的很大一部分，如下圖所示。

提高開關(guān)頻率可以減小變壓器的尺寸，但更高的頻率會導(dǎo)致更大的磁芯損耗(包括磁滯和渦流損耗)和銅損(趨膚效應(yīng))，從而降低轉(zhuǎn)換效率。在高頻應(yīng)用中，平面變壓器解決了這些損耗，實現(xiàn)了超過  90% 的轉(zhuǎn)換效率。下面，我們將討論高頻應(yīng)用中使用的變壓器的常見損耗。變壓器銅損和鐵芯損耗：  變壓器內(nèi)部的鐵芯由磁性材料制成，鐵芯損耗由鐵芯產(chǎn)生。當(dāng)功率轉(zhuǎn)換器在高頻下運行時，磁性材料會反復(fù)磁化，從而導(dǎo)致飽和和磁滯損耗。銅損是指變壓器繞組的直流電阻損耗。在高頻應(yīng)用中，線圈會產(chǎn)生趨膚效應(yīng)，從而增加電阻。

1磁芯磁滯曲線磁滯曲線是指磁通密度 (B) 和磁場強(qiáng)度 (H) 之間的關(guān)系。這種關(guān)系是非線性的。隨著磁場強(qiáng)度的增加，磁通密度沿曲線上升，直到到達(dá)  Bs  點。此時，即使磁場強(qiáng)度繼續(xù)增加，磁通量密度也往往會以較慢的速度增加，這種現(xiàn)象稱為磁飽和。變壓器飽和會導(dǎo)致電感降低，導(dǎo)致電流過大，流過變壓器繞組，并可能損壞開關(guān)元件。因此，變壓器設(shè)計必須避免磁飽和。當(dāng)磁場強(qiáng)度降低時，曲線遵循不同的路徑，返回到磁場強(qiáng)度等于零的點  Br。如果磁場強(qiáng)度繼續(xù)降低，曲線會到達(dá) Hc 點，此時磁通密度等于零。如下是BH曲線：

當(dāng)電流流過繞組線圈時，線圈會產(chǎn)生磁場，導(dǎo)致鐵芯內(nèi)的磁場發(fā)生變化。在這個磁場的影響下，鐵芯內(nèi)部的磁疇緩慢旋轉(zhuǎn)、膨脹和收縮。這些現(xiàn)象導(dǎo)致材料之間產(chǎn)生內(nèi)部摩擦，產(chǎn)生熱量，這被稱為磁滯損耗  (Ph)。磁滯回線包圍的區(qū)域表示磁滯損耗;面積越大，磁滯損耗越大。磁滯損耗的公式如下：

從公式中，假設(shè)磁通密度恒定，磁滯損耗與頻率成正比。隨著頻率的增加，磁滯損耗也會增加。在功率轉(zhuǎn)換器的高頻運行中，這會導(dǎo)致效率降低和發(fā)熱增加。相比之下，平面變壓器磁芯由鐵氧體軟磁材料制成，有效降低了高頻引起的磁滯損耗。

2繞組線圈中的集膚效應(yīng)變壓器繞組由漆包線制成。當(dāng)導(dǎo)體中存在交變電磁場時，電流往往會集中在導(dǎo)體表面。這導(dǎo)致導(dǎo)線表面的電流密度較高，而導(dǎo)線中心的電流密度較低，這種現(xiàn)象稱為集膚效應(yīng)。下圖描述了這種效果。

導(dǎo)體橫截面積的利用率降低，導(dǎo)致電阻增加和功率損耗，這種現(xiàn)象稱為趨膚效應(yīng)。隨著電源工作頻率的增加，導(dǎo)體中的電流變得更加集中在其表面，導(dǎo)致電阻與頻率成比例地增加。  在大功率應(yīng)用中，傳統(tǒng)的變壓器繞組需要較厚的線圈，這可能會加劇趨膚效應(yīng)，從而導(dǎo)致更高的損耗和降低的轉(zhuǎn)換效率。相比之下，平面變壓器繞組在印刷電路板 (PCB)  上使用銅箔。通過增加銅箔的厚度和寬度，平面變壓器可以滿足大電流需求。此外，由于線圈匝數(shù)較少，可以有效地忽略集膚效應(yīng)。什么是平面變壓器:平面變壓器是一種使用多層 PCB  構(gòu)建的變壓器。平面變壓器和傳統(tǒng)變壓器之間的主要區(qū)別在于鐵芯和繞組設(shè)計。平面變壓器具有高性能、高頻運行和緊湊尺寸等優(yōu)點，使其適用于功率轉(zhuǎn)換器中的大功率應(yīng)用。A. 繞組設(shè)計：平面變壓器的繞組在 PCB 上使用螺旋走線來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的繞組。PCB  的中心是鏤空的，以容納磁芯材料，磁芯材料堆疊并用絕緣膠帶固定。這種結(jié)構(gòu)使平面變壓器非常薄，在減小尺寸的同時實現(xiàn)了更高的功率密度和效率。此外，它們還提供出色的熱管理功能。下圖說明了平面變壓器的結(jié)構(gòu)。

使用 PCB  走線進(jìn)行繞組消除了與傳統(tǒng)變壓器繞組工藝相關(guān)的風(fēng)險，例如堆疊過程中的短路、開路和導(dǎo)線位移。此外，帶有薄絕緣膜或絕緣墊的層間絕緣可降低導(dǎo)體絕緣損壞和隔離電壓缺陷的可能性。平面變壓器的平面結(jié)構(gòu)確保了繞組的緊密耦合，改善了高頻寄生參數(shù)，降低了直流電阻和漏感。B. 磁芯選擇：為避免變壓器飽和，平面變壓器通常使用鐵氧體軟磁材料來形成 EE 型、RM 型或 ER  型磁芯。目標(biāo)是以更少的繞組匝數(shù)實現(xiàn)更高的電感，如下圖所示。

當(dāng)鐵芯飽和時，變壓器的有效電感減小，從而降低了電壓轉(zhuǎn)換效率。變壓器的電感 (L) 與繞組中的匝數(shù) (N)、磁性材料的磁導(dǎo)率和鐵芯的橫截面積 (Ae)  有關(guān)。電感的計算公式如下：

從公式中可以看出，匝數(shù)較少的平面變壓器需要具有較大橫截面積的磁芯，以增加電感并避免飽和。此外，平面變壓器的扁平鐵芯結(jié)構(gòu)增加了散熱表面積，有效解決了傳統(tǒng)變壓器的散熱問題。

3設(shè)計注意事項設(shè)計注意事項：繞組布局：PCB 銅箔繞組的寬度 (Wt) 和厚度 (H) 根據(jù)峰值電流確定，公式如下?繞組之間的間距會影響寄生電容。因此，繞組布局必須考慮電路要求，避免過于緊湊的布置。下圖說明了平面變壓器的繞組布局。

繞組走線寬度與匝數(shù)成反比。選擇合適的走線寬度和間距可確保較低的漏感和寄生電容。  絕緣材料：絕緣材料的介電常數(shù)越高，變壓器的寄生電容就越高。因此，在選擇絕緣材料時，必須考慮介電常數(shù)，以選擇有效降低寄生電容的材料。通過遵循這些設(shè)計考慮，平面變壓器可以在實際應(yīng)用中實現(xiàn)高性能和可靠性。與傳統(tǒng)的繞線變壓器相比，平面變壓器更適合于功率轉(zhuǎn)換器，尤其是在高頻應(yīng)用中。下表提供了兩種類型的關(guān)鍵特征的比較

結(jié)論平面變壓器在高頻電源轉(zhuǎn)換器中具有顯著優(yōu)勢。通過用 PCB 走線取代傳統(tǒng)的銅線繞組，平面變壓器有效地減少了磁芯和銅的損耗，提高了整體效率和可靠性，同時實現(xiàn)了更緊湊的設(shè)計。此外，平面結(jié)構(gòu)增強(qiáng)了熱性能，在電源轉(zhuǎn)換器中提供更均勻的熱量分布，并提高了系統(tǒng)穩(wěn)定性。這些優(yōu)勢使平面變壓器成為傳統(tǒng)繞線變壓器的卓越替代品，使其成為推進(jìn)電源轉(zhuǎn)換器技術(shù)的關(guān)鍵組件。