采用平面型变压器抑制高频变压器中的漏感和温升

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

漏感和温升是高频变压器设计中两个非常重要的问题。漏感过高将使开关管的应力增大，并且对占空比也会产生不良影响。而过度的温升不但会加剧磁芯损耗，而且将限制开关变换器开关频率的进一步提高。采用平面型变压器可以有效抑制高频变压器中的漏感和温升。

2.漏感

2.1 漏感及其抑制

储存在电感中的能量可以用下式表示：

由于电感中的能量不能突变，因此当功率变压器中的电流换向时，将在电感中产生反向感应电势。储存在漏感中的能量将会引发功率开关管的过度瞬变，这将加重吸收电路的负担。而开关管和吸

收电路上的过度损耗将导致变换器功率下降，并将造成温升的急剧升高。在某些情况下，还将引发其他问题，比如驱动问题。

电感中电流恢复时间也称为死区时间，死区时间的长短影响到最大占空比。输出滤波电感中的电流将持续跌落，直到次级绕组电流完全恢复后才能重新建立并实现换向。如果漏感过大，这一瞬态过程的时间将相对延长。

漏感的大小与漏磁通有关，并与绕组匝数的平方成正比。提高绕组的耦合程度或减少绕组匝数都可以使漏感下降，其中绕组匝数对漏感大小的影响非常显著。例如4匝绕组产生的漏感只有6匝绕组的六分之一。对于传统变压器，由于绕组匝数不可能无限制的减少，因此单纯依靠减少绕组匝数的来降低漏感的方法是不现实的。虽然增强变压器绕组间的耦合度也可以降低漏感，但又不得不面对绕组间的绝缘问题。折衷的方法是采用绕组交错绕制的方法，但是这样做将增加绕组间的寄生电容，而且绕组间的绝缘程度也相对下降，因此这也不是一个十分有效的方法。

2.2 平面型变压器的漏感

平面型变压器的匝比由初级匝数和组件数量共同决定。组件数量多造成的漏感量也较大，但是由于漏感的大小与绕组匝数的平方成正比，因此控制组件的数量对漏感的影响就非常显著了。例如，一个由四个组件构成的4匝平面型变压器的漏感仅为16匝传统变压器的50%，而其电流容量却高出了3倍。

平面型变压器中不存在气隙，有效去除了磁芯边缘磁通和杂散磁通的影响。其次级绕组由金属薄片组成，并固定在磁芯内侧。因此次级绕组紧密环绕在初级绕组四周，几乎不会产生漏磁。测量变压器漏感的方法有多种，最常用的方法是在次级绕组短接的条件下测量初级绕组的电感量。但是在功率变换电路中，漏感的大小可以通过di/dt来估算。如果电压已知，那么漏感的大小可以通过下式计算得到：

采用这种方法估算出来的电感量偏大，这主要是由变压器的外接电路造成的，尤其是次级整流电路的影响。

由于平面型变压器的漏感非常小，因此整个电路的漏感将主要由外接绕组决定。因此对外接绕组和外接电路的优化设计是非常重要的。平面型变压器对高频特性进行了优化，所有的关键电路都包含在组件中，极大的降低了设计难度。为了最大限度的减小漏感，平面型变压器须直接与TO-247封装的整流二极管相连，否则将导致故障的发生。

3.温升

3.1　影响温升的因素

功率变压器中的温升问题是变压器设计中最难驾驭的问题之一。从温度控制原理可知，温升与功率成正比。而在变压器中，影响温升的主要因素则是磁芯损耗和绕组损耗。磁芯损耗和绕组损耗是相对独立的，磁芯损耗与磁芯的体积、磁通密度以及频率有关，而绕组损耗则与绕组电流和阻抗有关。变压器的设计必须对其工作点进行优化，盲目的套用各种公式进行设计是得不偿失的，往往造成变换效率的下降，尤其是在高频领域。

对温升产生影响的另一个因素是导热性能。如果散热器足够大，温升将保持在一定的水平。散热面积越大，变压器的厚度越小，变压器的导热性能也越好。如果能够将热负载均匀分布在一较大的空间内，同时增加并联通道，热性能将得到很大的提升。热负载分散后，所需散热器的体积也会相应下降。

材料的热特性对温升的影响也非常显著，例如铁氧体和塑料绝缘材料的导热性分别仅为铜的百分之一和千分之一。

3.2 抑制温升的措施

抑制变压器温升首先要考虑如何降低损耗，但这是一个比较棘手的问题。

(1)抑制绕组损耗

在高频变压器中必须要考虑交流阻抗的影响，与直流或低频情况下不同，在高频条件下，绕组中将存在趋肤效应和临近效应，因此线径越粗，其交流阻抗也越大。这时最好采用扁平绕组，但是绕组必须要与磁通方向平行，而且层数也不能太多，否则将引起涡流损耗。注意，扁平绕组一定要远离气隙，否则将受到边缘磁通的影响。临近效应对多层扁平绕组的影响非常显著，造成的损耗将是正常水平下损耗的近百倍。在这种情况下，采用Litz线的作用也不大。因为Litz线绕制起来比较困难，而且绕组因数很低。如果使用不当，将会导致损耗的显著上升。

变压器外部的绕组不但会增加寄生阻抗和损耗，而且还产生EMI。因此尽量将绕组安排在磁芯内部。

(2)抑制磁芯损耗

磁芯损耗往往通过查表得出。注意，损耗随着磁通密度增加而迅速上升。虽然理论上可以通过降低磁通密度的方法来降低损耗，但这是与使变压器保持高效率相矛盾的。在磁通给定的条件下，降低损耗的唯一方法只能是增大磁芯有效截面积，但这将增大磁芯的体积。由于体积增大，磁芯的厚度也相应增加，磁芯的热阻将增大，最终会造成磁芯温度的上升。

与低频变压器一样，高频变压器中饱和磁通密度也是影响磁芯体积的决定性因素。变压器的最优设计应当具有最大的工作磁通密度、最小的磁芯体积和最大的磁芯有效截面积，并且工作效率最高，漏感最小、损耗和温升最低。

3.3 平面型变压器的热特性

平面型变压器的基本组件是带有矩形通孔的矩形磁芯，如图1所示。组件通常成对使用，如图1(c)所示。一对磁芯组件构成单匝推挽绕组，有时也称为2匝中心抽头绕组。

从图中可以看出，平面型变压器磁芯组件是不带气隙的，因此不存在边缘磁通，而且磁阻最小。绕组扁而宽，并且与磁通路径平行，其有效截面积很大。

实际应用当中，平面型磁芯通常是以模块形式出现，内部配有滤波电感，整流管、滤波电容也可以集成模块内部，模块的数量决定了初级绕组的匝数。图2所示为一个匝比为10:1的降压式平面型变压器。该变压器由5只模块组成，其匝比等于模块数与初级匝数的乘积，即5×2=10。在大多数应用中，平面型变压器在工作过程中并不需要散热器，但是由于整流二极管需要散热，因此最好将磁芯和整流二极管都一起固定在散热器上。散热器可以作为次级电路的正极，汇流条可以作为次级电路的负极。功率MOSFET则固定在磁芯的外侧。

匝数的减少可有效降低临近效应的影响。由于初级绕组位于次级绕组内部，因此耦合度很高。初级绕组到次级绕组之间的传热路径非常短，对于降低绕组的温升作用很大。

4.小结

平面型变压器技术为高频变压器漏感和温升问题的解决提供了理想的解决方案。由于平面型变压器对磁芯和绕组进行了优化处理，并采用了模块形式，极大的提高了高频变换器中变压器设计的灵活性，设计难度大大降低。与相同功率的传统变压器相比，平面型变压器的温升非常低，相应散热器的尺寸也大为减小。而且，平面型变压器的漏感很低，不但降低了开关管的应力和损耗，而且简化了吸收电路的设计。