平面变压器为何成为推进电源转换器技术的关键？

引言

随着对高功率密度需求的增加，功率转换器的封装尺寸越来越小。传统变压器的特点是体积大、效率低，阻碍了隔离式电源转换器的小型化进程。如今，平面变压器正在逐渐取代绕线变压器，不仅减小了电源转换器的尺寸，而且显著提高了转换效率。本文解释了常见的变压器损耗、平面变压器的结构、设计考虑因素，并在转换效率、尺寸和系统可靠性方面将它们与绕线变压器进行了比较。

介绍

隔离式电源转换器的作包括在初级侧存储能量，并使用晶体管开关中断输入电路，将存储在变压器磁芯中的能量转移到次级侧进行电压转换。在此过程中，变压器决定了大部分电压转换效率，并占据了转换器面积的很大一部分，如下图所示(Figure1)。

提高开关频率可以减小变压器的尺寸，但更高的频率会导致更大的磁芯损耗(包括磁滞和涡流损耗)和铜损(趋肤效应)，从而降低转换效率。在高频应用中，平面变压器解决了这些损耗，实现了超过  90% 的转换效率。下面，我们将讨论高频应用中使用的变压器的常见损耗。

变压器铜损和铁芯损耗：  变压器内部的铁芯由磁性材料制成，铁芯损耗由铁芯产生。当功率转换器在高频下运行时，磁性材料会反复磁化，从而导致饱和和磁滞损耗。铜损是指变压器绕组的直流电阻损耗。在高频应用中，线圈会产生趋肤效应，从而增加电阻。

磁滞曲线是指磁通密度 (B) 和磁场强度 (H) 之间的关系。这种关系是非线性的。随着磁场强度的增加，磁通密度沿曲线上升，直到到达  Bs  点。此时，即使磁场强度继续增加，磁通量密度也往往会以较慢的速度增加，这种现象称为磁饱和。变压器饱和会导致电感降低，导致电流过大，流过变压器绕组，并可能损坏开关元件。因此，变压器设计必须避免磁饱和。当磁场强度降低时，曲线遵循不同的路径，返回到磁场强度等于零的点  Br。如果磁场强度继续降低，曲线会到达 Hc 点，此时磁通密度等于零。如下是BH曲线(Figure2)：

当电流流过绕组线圈时，线圈会产生磁场，导致铁芯内的磁场发生变化。在这个磁场的影响下，铁芯内部的磁畴缓慢旋转、膨胀和收缩。这些现象导致材料之间产生内部摩擦，产生热量，这被称为磁滞损耗  (Ph)。磁滞回线包围的区域表示磁滞损耗;面积越大，磁滞损耗越大。磁滞损耗的公式如下：

从公式中，假设磁通密度恒定，磁滞损耗与频率成正比。随着频率的增加，磁滞损耗也会增加。在功率转换器的高频运行中，这会导致效率降低和发热增加。相比之下，平面变压器磁芯由铁氧体软磁材料制成，有效降低了高频引起的磁滞损耗。

变压器绕组由漆包线制成。当导体中存在交变电磁场时，电流往往会集中在导体表面。这导致导线表面的电流密度较高，而导线中心的电流密度较低，这种现象称为集肤效应。下图描述了这种效果(Figure3)。

导体横截面积的利用率降低，导致电阻增加和功率损耗，这种现象称为趋肤效应。随着电源工作频率的增加，导体中的电流变得更加集中在其表面，导致电阻与频率成比例地增加。  在大功率应用中，传统的变压器绕组需要较厚的线圈，这可能会加剧趋肤效应，从而导致更高的损耗和降低的转换效率。相比之下，平面变压器绕组在印刷电路板 (PCB)  上使用铜箔。通过增加铜箔的厚度和宽度，平面变压器可以满足大电流需求。此外，由于线圈匝数较少，可以有效地忽略集肤效应。

什么是平面变压器:平面变压器是一种使用多层 PCB  构建的变压器。平面变压器和传统变压器之间的主要区别在于铁芯和绕组设计。平面变压器具有高性能、高频运行和紧凑尺寸等优点，使其适用于功率转换器中的大功率应用。

A. 绕组设计：

平面变压器的绕组在 PCB 上使用螺旋走线来代替传统的绕组。PCB  的中心是镂空的，以容纳磁芯材料，磁芯材料堆叠并用绝缘胶带固定。这种结构使平面变压器非常薄，在减小尺寸的同时实现了更高的功率密度和效率。此外，它们还提供出色的热管理功能。下图说明了平面变压器的结构(Figure4)。

使用 PCB  走线进行绕组消除了与传统变压器绕组工艺相关的风险，例如堆叠过程中的短路、开路和导线位移。此外，带有薄绝缘膜或绝缘垫的层间绝缘可降低导体绝缘损坏和隔离电压缺陷的可能性。平面变压器的平面结构确保了绕组的紧密耦合，改善了高频寄生参数，降低了直流电阻和漏感。

B. 磁芯选择：

为避免变压器饱和，平面变压器通常使用铁氧体软磁材料来形成 EE 型、RM 型或 ER  型磁芯。目标是以更少的绕组匝数实现更高的电感，如下图所示(Figure5)。

当铁芯饱和时，变压器的有效电感减小，从而降低了电压转换效率。变压器的电感 (L) 与绕组中的匝数 (N)、磁性材料的磁导率和铁芯的横截面积 (Ae)  有关。电感的计算公式如下：

从公式中可以看出，匝数较少的平面变压器需要具有较大横截面积的磁芯，以增加电感并避免饱和。此外，平面变压器的扁平铁芯结构增加了散热表面积，有效解决了传统变压器的散热问题。

设计注意事项：绕组布局：PCB 铜箔绕组的宽度 (Wt) 和厚度 (H) 根据峰值电流确定，公式如下

绕组之间的间距会影响寄生电容。因此，绕组布局必须考虑电路要求，避免过于紧凑的布置。下图说明了平面变压器的绕组布局(Figure6)。

绕组走线宽度与匝数成反比。选择合适的走线宽度和间距可确保较低的漏感和寄生电容。  

绝缘材料：绝缘材料的介电常数越高，变压器的寄生电容就越高。因此，在选择绝缘材料时，必须考虑介电常数，以选择有效降低寄生电容的材料。通过遵循这些设计考虑，平面变压器可以在实际应用中实现高性能和可靠性。

与传统的绕线变压器相比，平面变压器更适合于功率转换器，尤其是在高频应用中。下表提供了两种类型的关键特征的比较(Figure7)。

平面变压器在高频电源转换器中具有显著优势。通过用 PCB 走线取代传统的铜线绕组，平面变压器有效地减少了磁芯和铜的损耗，提高了整体效率和可靠性，同时实现了更紧凑的设计。此外，平面结构增强了热性能，在电源转换器中提供更均匀的热量分布，并提高了系统稳定性。这些优势使平面变压器成为传统绕线变压器的卓越替代品，使其成为推进电源转换器技术的关键组件。