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    平面變壓器的結構原理與應用

    發布時間:2021-12-29   瀏覽次數:131返回

    如果要求輸出與輸入隔離,或者需要多組輸出電壓,則應在開關元件和整流元件之間使用開關隔離變壓器,因此大多數變換器都有隔離變壓器。目前,開關電源的發展趨勢是效率更高、體積更小、重量更輕。然而傳統的隔離變壓器在效率、體積和重量等嚴重制約了開關電源的進一步發展。同時由于變壓器涉及的主要參數包括電壓、電流、頻率、比值、溫度、磁芯u值、漏抗、損耗、外形尺寸等,沒有現成的變壓器可以像其他電子元件一樣選擇,往往需要通過繁瑣的計算來選擇磁芯和繞組導線,而繞組繞制對變壓器的性能也有很大的影響。此外,變壓器的許多重要參數不易測量,給使用帶來一定的盲目性,在頻率響應、漏抗、體積和散熱等方面也很難達到令人滿意的效果。平面變壓器在隔離變壓器的多方面取得了重要突破。


    目前國外很多電源產品都開始采用平面變壓器技術,如蓄電池充電電源、通訊設備分布式電源、 UPS等。但國內隔離開關變壓器在材料、工藝上與國外先進國家存在一定差距,阻礙了開關電源開關高頻化和效率的提高,使開關電源產品停留在較低水平。平面變壓器技術將為高頻開關電源的設計和產品化提供有益的幫助。


    傳統變壓器的繞組通常纏繞在匝數較多的磁芯上。但平面變壓器(單元)只有一匝網狀次級繞組,與傳統漆包線的一匝繞組也不同,而是一塊銅皮貼在幾個相同尺寸的沖壓鐵氧體磁芯表面。因此平面變壓器的輸出電壓取決于磁芯的數量,通過并聯可以增大平面變壓器的輸出電流,滿足設計要求。而且平面變壓器原邊繞組的匝數通常只有幾匝,不僅有效減小了銅損和分布式電容、電抗,還為繞制帶來了很多便利。由于磁芯由簡單的沖壓件組成,大大提高了性能的一致性,也減少了大批量生產的成本。


    1、平面變壓器的結構和性能

    1.1 結構

    平面變壓器通常有兩個或兩個以上相同尺寸的圓柱形磁芯?,F在,以2個磁芯的平面變壓器為例,介紹其結構。對角線上每個磁芯柱的兩個角由銅皮連接,銅皮穿過磁芯柱時緊貼磁芯內壁。兩個磁芯并排放置,相鄰兩個角焊接銅片,在磁芯的一個外側兩個角上的銅片用一塊銅片焊接在一起,就是平面變壓器次級線圈的中心,如果這里引出一個抽頭,就是次級線圈的中心抽頭;另一個磁芯外側兩角上的銅皮是平面變壓器次級線圈的兩端。這基本上構成了平面變壓器的主要部分。它的次級線圈只有一匝,可以帶有一個中心抽頭。一臺完整的平面變壓器也有預設的儲能電感(1.4μH @ 500 kHz,DC20A),其一端常接在中心抽頭上,上部、下部各有一塊固定銅板,將磁芯和濾波電感夾在中間,作為整流電源的兩極和散熱板(實際使用時,散熱板應根據功率的大小安裝)。

    1.2 性能

    這種結構的變壓器體積小,高有8毫米和12毫米兩種。繞線匝數比傳統變壓器少很多,結構更緊湊,磁耦合比傳統變壓器好很多,漏抗小于0.2%,因此可以在更高的頻率下工作,有利于功率轉換效率的提高。緊湊磁芯的幾何形狀限制了熱點的產生,減少了熱量消耗,從而允許更高的能量密度。同時,其自身的散熱條件也比傳統變壓器好很多。因此,平面變壓器的體積和重量大大減小,效率更高。更重要的是,它為開關電源中的開關變壓器提供了一種通用的選擇,省去了計算復雜、選材和變壓器繞制工藝。它不僅簡化和優化了設計,而且減小了體積,減少了成本。因此,平面變壓器很適合低電壓(1~60V)、大電流(30A/每磁芯)的開關電源或逆變電源的設計,對變壓器的拓撲結構沒有限制。


    2、使用平面變壓器

    平面變壓器的使用主要有以下三個原則:

    (1)根據輸出電壓的大小選擇相應型號的平面變壓器;

    (2)根據輸出電流的大小確定并聯平面變壓器的數量;

    (3)根據輸入輸出電壓的大小確定變比和原邊繞組的匝數。

    例如,開關電源的輸出電壓為5V,輸出電流為150A。選用5V系列平面變壓器FTI-12×2A-XX。如果使用FTI-12×2A-1A,需要5個并聯。如果使用FTI-12×2A-5A(實際上并聯5個FTI-12×2A-1A構成),只需要1個。

    此外,在實際應用中還需要了解平面變壓器的變化和原邊線圈的匝數。變比可通過以下公式計算:變比=K×N×P : 1

    其中,K是系數。當平面變壓器的輸出是通過中心抽頭時,K=0.5;當平面變壓器沒有中心抽頭時,k=1。N是并聯的平面變壓器單元的數量。P是平面變壓器原邊匝數。

    在上面的例子中,如果輸出平面變壓器使用中心抽頭,輸入DC電壓為150伏,變比可以設置為10 : 1,那么原邊匝數P=10/(0.5 × 5)=4。如果輸入DC電壓為300伏,變比可設置為201,原邊匝數P=20/0.5×5=8??梢钥闯?,平面變壓器的原邊繞組匝數通常很少。


    3、結論

    使用平面變壓器后,開關頻率為300kHz,轉換效率大于95%,整個裝置的體積和重量大大減小。由于平面變壓器已經標準化、系列化、產品化,因此性能一致性好,使用很方便。

    平面變壓器改變了傳統開關變換器中隔離開關變壓器的設計思路,為設計人員提供了更方便、更良好的選擇。

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