平面变压器设计技术99问上文档格式.docx
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（3）传递能量或信号；
（4）测量电压或电流；
2）电感的作用：
（1）储能；
（2）滤波；
（3）抑制尖峰电压或电流；
（4）与电容产生谐振；
5、什么是平面变压器？
平面变压器是近几年才在国内热火起来的一种新型变压器。
它的特点是器件的整体高度低，呈扁平形状，具有很多特殊的电气优点，使用软磁铁氧体功率材料做磁芯，是一款支撑未来电源进而改变人类用电器具的关键核心器件。
6、平面变压器有哪些技术特点？
表1基本归纳了平面变压器的优越性能：
表1—1：
平面变压器的优越性能表
优越性
具体性能
高度低、体积小、重量轻
一般高度均小于20mm,每100W约重15g.
高功率密度
比同类型的传统变压器高3~5倍
功率适应范围大
5W~25KW
高电压量
次级升压可以达到20KV以上
高电流量
每层绕组可以达到200A
高效率
效率可达95%~99%
低漏感
初级电感的0.2%以下
低EMI辐射
有效的磁芯屏蔽
工作频率范围宽
20KHz~2MHz
工作温度范围宽
-400C~1300C
热传导效果好
散热面积大
组装性能好
便于安装在印制板上
7、平面变压器的结构特点是什么？
平面变压器和传统的高频变压器最大的不同就在于它基本上不使用铜线来绕制，它的内部不存在传统的骨架。
它线包的制作通常有两种方式：
1）铜箔式平面变压器，这种方式是利用铜箔作绕组，折叠成多层线圈，适合于制造低压、大电流的变压器；
2）多层印刷板式平面变压器，这种变压器是采用印刷电路板制造工艺，在多层板上形成螺旋式线圈，适合于制造性能比较稳定的中小功率的变压器。
8、平面变压器的技术优点还有哪些？
（1）电流分配均等
典型的平面变压器副边绕组有若干个并联的线圈。
每个副边绕组都和同一个原边绕组相藕合。
所以，副边电流产生的安匝数与原边绕组产生的安匝数相等（忽略励磁电流）。
这种特性对并联整流电路特别有用。
绕组电流分配均等，在并联整流电路中就不影响其他元件。
（2）电流密度高
平面变压器有极好的温升特性设计。
因为这些特性，所以它能在很小的封装体积内达到很高的电流密度，由于它的结构特点，完全满足高频电流的工作特性，所以适合在高频率的场合使用。
（3）高效率
低漏电感，使它能具有很快的开关时间，很低的交叉损耗，就能使它达到很高的效率。
这种变压器副边绕组和原边绕组间因为接触非常紧密，就具有很高的耦合系数，所以它的效率高、损耗很小。
（4）功率密度很高
因为平面变压器元件的尺寸很小，它具有极好的温度耗散特性，所以能和有关点半导体器件和电感紧密地封装在一起，实现的电流密度可做到30A/模块。
（5）低成本
整个变压器是由少量有关的廉价元件组成，加上组装又很方便，PCB板的前期开发成功以后是采用印制加工方法，所以整体变压器的成本是很低。
（6）连接部件成本低廉
由于它的漏电感很小，开关损耗很低，加在和它相连接部件上的应力减少。
因此和它连接的部件能使用成本较低的功率元件。
（7）热耗散特性好
平面变压器是具有很高的表体面积比、很短的热通道的元器件。
这种结构有利于散热。
原边和副边绕组之间的匝间损耗很小，磁芯的功率损耗较小，所以它能做到高磁通密度。
它可在-400C~1300C之间工作。
（8）泄漏电感低
绕组和绕组之间的良好耦合，就能使绕组匝间的漏电感保持在最小值。
输出端到辅助部件的连线很短而且是紧配合，所以绕组上的漏电感最小。
漏电感小意味着变压器的EMI指标更好，对开关功率器件的损害最小。
（9）高频特性极佳
在这之前，当变压器运行在高频时会使开关损耗增大和使变压器过热。
平面变压器的出现，使这些问题得以解决。
平面变压器能做到提供一种既经济又好的变压器模块。
它可工作在100KHz～2000KHz之间。
（10）结构简单适宜表贴
平面变压器是由少量部件和最少的绕组构成的，这种模块在自动化装配中特别适用，而且它的外形天生就注定它适合表面贴装及大规模的流水线生产。
（11）外形低宜于整机小型化
在平面变压器中所用的磁芯较小，它是以一种扁平的形态排列在变压器的表面上。
每一磁芯单元外形在8mm～32mm范围内，这就使得它具有了很多独有的优点。
（12）绝缘强度高
平面变压器很容易使用绝缘簿膜或是绝缘材料对变压器的介电绝缘按要求的进行层数、厚度进行绝缘从而达到所需的技术要求。
9、平面变压器能够代表变压器的未来方向吗？
是。
微型变压器的发展是当今电子、信息技术的需求，变压器的微型化是变压器技术发展的必然趋势。
就目前来看，以铁氧体为磁芯的平面变压器体积小，功率密度大，是现在微型变压器的主流。
以微制造技术的薄膜变压器以及发展已久的压电变压器都还正处于不成熟的研制阶段，都不能担当起在大功率、大变压比的实际工程中推广应用。
随着电子技术的飞速发展，铁氧体平面变压器必将在较大功率的模块电源中发挥主要作用。
而且随着技术的不断成熟，平面变压器必然会成为变压器，变流器、电感器件的首选。
10、平面变压器是啥模样的？
这里给出它的部分照片。
图三：
11、为什么平面变压器的结构是这样的呢？
这一切都是缘于技术的发展和社会的需求。
第一代的变压器使用的是铁芯—也就是所谓的硅钢片。
这种变压器制作的电源既笨重且效率特别低，转换效率一般在50%左右，它适合现已有的供电网络工频（50Hz）的市电系统。
为了减轻重量提高转换效率，随后人们提出了开关电源概念，电气工程师们把开关电源的工作频率从10KHz逐步的提高到了100KHz，其中所用到的就是第二代变压器—铁氧体的高频变压器，由于铁氧体变压器的体积和重量大大减轻减小（如20KHz工作频率是原来50Hz的400倍），使得整个电源的体积和重量就有了较大幅度的减轻减小，效率也从原来的50%提高到了80%以上。
但是人们仍然不满足，还想不断的提高工作频率，大家很自然的认识到，要想得到更高的效率、更小的体积、更高的功率密度、更优质的电源唯一便捷有效的方法就是提高开关电源的工作频率。
在这里就有必要来看看电磁领域的法拉第电磁感应定律了。
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12、什么是法拉第电磁感应定律？
法拉第电磁感应定律是指导我们在电磁学中不致迷路的一条重要理论，这个理论在磁芯设计中有如下表示形式
法拉第定律：
V=4.44N*Ae*fs*B*10
注：
V——表示感应电压（单位为伏特）
4.44——表示正弦波的系数因子
N——表示线圈的匝数
Ae——表示有效的磁路截面积
f——表示电磁频率
B——表示最大磁感应强度
在这些参数是，用比较简单有效的方法能够明显缩小磁芯尺寸就是提高电磁频率f。
提高磁芯工作频率的关键前提是铁氧体适于工作于数百千赫兹甚至达到兆赫兹的工作频率。
在高频情况下，Ae和N的值就可以相对应减小，这就意味着与低频比较，在高频的状态磁芯尺寸就能够实现微型化。
但是任何事物都有自身的运行规律，在这种高频率的工作状态下，一种电路理论中的物理现象就显现出它的存在威力了，这就是高频电路中特有的“趋肤效应”。
13、什么是“趋肤效应”？
“趋肤效应”也称为“集肤效应”。
具有一定频率的交变电流通过导体时，由于感应作用引起导体截面上电流分布不均匀，愈近导体表面电流密度越大。
这种现象就称为“趋肤效应”。
趋肤效应使导体的有效电阻增加。
频率越高，趋肤效应越明显。
当频率很高的电流通过导线时，可以认为电流只在导线表面上很薄的一层中流过，这等效于导线的截面减小，电阻增大。
既然导线的中心部分几乎没有电流通过，就可以把这中心部分除去以节约材料。
因此，在高频电路中可以采用空心导线（即导管）来代替实心导线。
为了削弱趋肤效应的影响，在高频电路中也往往使用多股相互绝缘细导线编织成束来代替同样截面积的粗导线，这种多股线束称为辫线。
在高频和微波电路中，使用的器件为了提高性能，一般要在器件内部采用镀银工艺，目的也是在器件导体的表面尽可能的减轻“趋肤效应”的影响。
交变磁场会在导体内部引起涡流，电流在导体横截面上的分布不再是均匀的，这时，电流将主要地集中到导体表面。
这就是“趋肤效应”。
电流的频率愈高，趋肤效应越明显，带来的问题就越多。
至此，我们也就不再难以理解平面变压器的结构特征了。
在高频工作状态下，传统高频变压器线包中的电流，实质上越来越多的只在导线的表面上流动，由于流动面积减小，增加了电流流动的困难，使变压器的效率降低；
现在我们选用PCB板，利用上面的铜箔作为导电线圈，既适应高频电流的工作特性，又能降低变压器的高度，岂不是一举两得。
同时随着工作频率的上升，传统高频变压器这种敞口结构十分不利于电源的EMC指标达标，它的高度较高就使得其稳定度会出现问题，散热也更不好解决。
14、趋肤效应是用什么做衡量标准的？
是用穿透深度来表征的，用△表示。
定义为电流密度下降为表面电流密度的1/e处的深度，
式中，△—穿透深度，单位为mm。
km—与温度等有关的常数，例如铜：
100℃时，km=75，20℃时，km=65.5。
f—频率，单位Hz。
K—材料常数。
15、铜线的穿透深度一般是多少？
表2铜线的穿透深度
银比铜的趋肤深度要深些。
因此工作于高频的变压器就必需要考虑这一影响，当绕组中电流的频率增高到高频段时，由于趋肤效应的影响，绕组电阻增大，导致绕组损耗增加。
交变频率越高，电阻的增大也越多越明显。
16、高频变压器对磁材有哪些要求？
1）磁导率高：
磁感应强度B=µ
H，因此在一定的磁场强度（H）下，B值取决于材料的μ值，对要求一定磁通量（φ∝BS）的磁器件，选用μ值高的材料，就可以降低外磁场的励磁电流，从而降低磁芯元件的体积。
2）矫顽力低：
材料的矫顽力越小，就表示磁化和退磁容易，磁滞回线狭窄，在交变磁场中磁滞损耗就越小，功率消耗就小。
3）高电阻率：
在交变磁场中工作的磁芯具有涡流损耗，电阻率高，涡流损耗小，发热就小，消耗的电磁功率就小。
4）具有较高的饱和磁感应强度：
磁感应强度高，相同的磁通需要较小磁芯截面积，磁性元件体积小。
5）成本低。
17、高频磁芯在使用时还要采取什么措施？
为了防止磁饱和，磁材一般要磨制气隙。
气隙是什么？
如图四所示的磁滞回线可以稍作说明：
在磁芯的磁路中加入气隙，就是把磁芯的某一个端面用磨床或是锉刀砂纸磨削去掉一定的高度，就形成了空的一节，我们把这空的部分称之为气隙。
因为气隙与磁材的导磁率相比要小得多，所以整个磁路的等效（平均）导磁率比起没有加气隙以前要小，表现在B-H平面上，它的磁滞回线的斜率变得要小很多，成了具有相似于线性斜率的直线。
18、在磁路中加入气隙是起什么作用？
磁路中开气隙相当于把磁芯的磁滞回线向X轴向倾斜，在同样的磁感应强度下，可承受更大的磁化电流，则相当于磁心储存了更多的能量，此能量在开关管截止时通过变压器次级泄放到负载电路。
在反激式拓扑开关电源，磁芯开气隙主要是两个作用，一是传递更多能量，二是防止磁芯进入饱和状态。
一般来说，气隙可以减小磁导率，就改变了磁芯的磁滞回线的斜率。
所以磁芯加气隙能达到如下目的:
1、減小了电感量；
2、使激磁电流增大；
3、能降低剩磁；
4、增加储能能力,抗磁饱和能力显著增强；
19、哪些磁路中可加或不用加气隙？
（1）正、负电压对称、无直流分量的变压器，其磁路不需要气隙。
（2）转换器中，初级与隔离电容串联的变压器磁路中不需要气隙。
（3）反激式转换器的变压器初级绕组电流是储能电流，全部是励磁电流。
为了不
使磁通饱和，磁路中应加入足够的气隙。
（4）正激式转换器通常无反向磁动势（初级有有源钳位例外），为了减少剩磁，可以加很小的气隙。
（5）对于推挽式转换器，为了防止两个开关管的电流不平衡时产生过大的直流偏磁，应加适当的气隙。
当采用电流型控制时，电流的不平衡可以得到限制。
20、磁芯中研磨气隙有哪些方法？
功率铁氧体磁芯都需要开气隙，目前主要是减小磁芯在不对称磁场状态下工作时的剩磁。
气隙越大剩磁就越小，这样同体积的磁芯就可以提供更大的功率，避免在交流大信号或是直流偏置下的磁饱和现象，且能更好的控制磁芯的电感量，提高变压器在工作时的稳定性。
但是气隙的增加同时也降低了磁芯的磁导率，造成线圈圈数增加，相关铜损也随之增大，线圈的分布电容也增大，对变压器稳定工作不利。
所以应该根据需要来选择适当的气隙。
常用的EE型、EC型、罐型、EP型、RM型、PQ型等磁芯的气隙研磨大致分为三种：
1）普通研磨气隙只是把磁芯中柱平行磨去一定尺寸，可有效防止磁饱和发生，并将电感量控制在很窄的范围内，使磁芯的电感量保持在一个稳定的数值；
2）把磁芯中柱倾斜的磨制一定角度，能加大中柱气隙的截面积，可以提高变压器
的效率；
3）为了加大中柱的截面积，也可以把中柱磨制成凹凸形，效果也是很不错。
21、怎么来计算磁芯气隙的长短？
在研磨气隙时，我们需要通过计算来得到气隙的长度，这里给出以下公式可以给读者提供有益的参考：
当Ab与Ae相差较大时，有
式中，lg为所希望得到的气隙量；
le为磁芯的有效磁路长度；
μ为磁芯材料的起始磁导率；
μe为开气隙后要求的磁导率；
Ab为磁芯开气隙处的截面积；
Ae为磁芯的有效截面积；
L0为未开气隙时的电感量；
Le为开气隙后要求的电感量。
22、磁芯气隙的功与过
磁芯开气隙确实是一个了不起的重要发明，正是这个小小的气隙，使开关电源技术能够发展得如此的丰富多彩。
磁芯的气隙一般在0.2~1.5mm间，虽然气隙比较短，但是效果是很大的。
由电路的全电流定律可以推导出：
B=4π×
10-7×
μr×
N×
L÷
lm
（1）
式中lm为磁路长度，一般在开关电源中用到的铁氧体磁芯的磁路都比较短，这样就造成B值会很大，铁氧体磁芯就容易饱和。
如果加上气隙情况就变得大不相同了：
带气隙磁芯磁路的有效长度为：
La=lm+μr×
lg
常用铁氧体磁芯的μr都是在1500~3000之间，
（1）式就可以改写为：
B=4π×
la=4π×
（lm+μr×
lg）
（2）
举一个例子来做说明：
选磁芯为EI33,NP=100匝，IP=0.5A,μr=1500，气隙lg=1mm。
无气隙时：
Bm=4π×
1500×
100×
0.5÷
0.076=1.239T
有气隙时：
【0.076+（1500×
0.001）】=0.0597T
同一个磁芯，在电流不变的条件下，仅因为在磁芯的磁路上增加了1mm的气隙，就使这个磁芯的磁感应强度变成了没有加气隙磁芯磁感应强度的4.8%，明显的远离了磁饱和区域，确实有些神奇，效果显著，这就是气隙的功。
那么气隙带来的都是好处呢？
不是！
实际上气隙带来的问题很多很严重：
1、增加成本。
特别是精确尺寸的气隙，都是磨床加工出来的，加工成本高；
2、虽然通过在磁芯中开气隙的方法可以解决磁芯因为非周期电流引起的磁饱
和问题，但气隙会造成磁芯的体积变大，使变压器的造价变高；
3、在磁路的气隙处会带来磁阻，造成比较大的漏磁增加变压器的ENI，使变压
器的电磁干扰超标；
4、为了减少由气隙附近的扩散磁通引起的绕组损耗，绕组布置需避开气隙3个
左右的气隙长度。
然而对于较大的气隙，那样做将使磁芯窗口的利用率大大降低；
5、气隙必然带来磁导率的降低，所以为了弥补电感量的减少一般需要加多绕组的匝数，这就带来了变压器铜损的增加；
6、气隙的处理需要非常小心，气隙太大可使漏感变大，磁滞损耗增加，铁损、铜损增大，影响电源的整机性能。
气隙太小有可能使变压器磁芯饱和，导致电源损坏。
7、气隙
带来漏感能量的增加及带来的额外铜损也不可忽略.总之,在线路拓扑未利用其漏感的情形下对磁芯加气隙以防止磁通不平衡并不是非常合适的选择,它不如通过在初级回路串联一个隔直电容来得有效.解决磁通不平衡最有效的方法是在二次侧整流电流平衡的条件下采用电流模式控制.
23、有哪些办法能够减少气隙的不良影响？
1、比较常用的方法就是把一个气隙变成两个或是三个更小的气隙，这样就可以保留气隙的优点，减小气隙带来的缺陷。
但是这会造成气隙加工复杂化，成本增加。
而且过度的二次加工对性质硬脆的磁材可能带来机械伤害，使磁材容易断裂。
2、再一个方法就是不开气隙，采用一种耦合度可改变的阵列式集成磁件，它是利用两个小一些的磁芯组成所谓的阵列式磁件，初级和次级绕组在这两个磁芯上采用新型绕法而得到的。
实际对比测试结果表明：
在绕组匝数相同、磁件体积及耦合度基本相同的情况下：
1）阵列式集成磁件的电感量大于传统E型磁芯；
2）阵列式集成磁件的绕组损耗、磁芯热损耗均小于传统E型磁芯，其各方面的技术参数均优于传统E型磁芯采用加气隙方法获得的电气指标。
3、另一个方法是可以开气隙，但是需要在磁芯气隙的旁边再加装一种特殊磁芯形成新型变压器结构。
这种方法因为设计参数比较多，应用上还不是很成熟。
4、寻找新型的铁氧体磁芯，这种磁芯因为具有多孔结构，本身就有气隙的特征，不开气隙或是少开气隙就拥有了气隙的优点。
24、目前在使用的功率铁氧体磁芯有哪些？
目前在使用中的功率铁氧体磁材主要是两种：
锰锌铁氧体和镍锌铁氧体，锰锌铁氧体大约占65%，占主流，镍锌铁氧体约占30%。
其它还有镁锌铁氧体等等。
25、两种功率铁氧体材料的性能对比
在功率铁氧体材料方面，目前普遍使用的是两种：
即锰锌铁氧体和镍锌铁氧体材料，它们都属于容易磁化和退磁的软磁材料。
他们各有特点，我们粗略的做对比如下：
a）锰锌铁氧体:
原材料价格低，有些人称它为半导体铁氧体。
镍锌铁氧体:
镍是一种稀缺金属，这种原材料价格高，有些人称它为电介质铁氧体。
b）锰锌铁氧体:
通常工作在1MHz下，具有较高的磁导率。
通常工作在1MHz以上，甚至可达300MHz，以前主要应用于有线电视系统的元器件及EMI器件制造，现在的磁导率已经和锰锌材料能够媲美。
c）锰锌铁氧体:
电阻率低，一般只有0.1～20Ωm，Q值较低。
电阻率高，一般都在103～105Ωm，Q值较高。
d）两种材料电阻率与工作频率的关系如下：
频率（MHz）0.1110100
锰锌电阻率（Ωm）≈2≈0.5≈0.1≈0.01
镍锌电阻率（Ωm）≈105≈5*104≈104≈103
e）锰锌铁氧体:
加工制备的工艺过程比较复杂，烧结温度高，1400℃甚至1600℃烧结过程中需要有气体保护，必须在钟罩式气氛炉中烧结。
加工制备的工艺过程简单，高温时NiO的物理性能非常稳定，烧结过程中不需要气体进行保护，烧结温度一般在1100℃即可，节省能源。
f）由于两种磁材的材料及内部微细结构的差别，锰锌铁氧体一般要求工作在100℃左右，不宜太高，而镍锌铁氧体可以工作在200℃以上，它们各自烧结的过程就明显的说明了这一点。
g）锰锌铁氧体：
肉眼识别时，不涂漆的表面较平滑，结构比较紧密，不易掉粉，颜色深显黑色。
用电阻表在其表面任两点测试时，用最大的10K档测，阻值在150K以下的就是锰锌铁氧体。
镍锌铁氧体：
肉眼识别时，不涂漆的表面比较粗糙，晶粒细而小，呈多孔结构，颜色发灰或是呈棕色。
用电阻表在其表面任两点测试时，用最大的10K档测，阻值相当大表针基本不动的就是镍锌铁氧体。
测试时都可以采取一些辅助的技术措施，比如：
用砂纸擦去磁芯表面的涂层；
或是用软B铅笔在它们表面涂抹出两个测试点等等。
h）二者的共同点：
在软磁铁氧体中存在粘结剂，与磁粉芯类似的原因，饱和过程是缓慢的。
磁化曲线与温度的关系，在100℃时，饱和磁感应强度由常温（25℃）的0.42T下降到0.34T。
因此，在选择磁芯时应考虑这一因素。
26、从对比中我们可以得出何结论？
1）软磁铁氧体磁芯损耗通常细分为三种类型：
磁滞损耗Ph、涡流损耗Pe、剩余损耗Pr，每种损耗在频率范围的表现上是不一样的。
磁滞损耗正比于直流磁滞回线的面积，并与频率成线性关系，对于工作在频率100KHz以下的功率铁氧体磁芯，降低磁滞损耗是最重要的。
随着开关电源小型化和工作频率的不断提高，涡流损耗这个时候就成了变压器最重要、最致命的影响因素了。
当工作频率达200K～500KHz的时候，涡流损耗的影响绝对占了支配地位，对涡流损耗起作用的关键因素就是磁材的电阻率。
磁材的电阻率越高，带来的涡流损耗就越小。
越小的涡流损耗就意味着效率高、整机的功率损耗小、发热量小。
镍锌铁氧体比锰锌铁氧体电阻率要高3～8个数量级。
2）镍锌铁氧体具有多孔结构，这正是我们迫切需要的。
3）镍锌铁氧体的居里温度点高得多，这对功率铁氧体的正常工作关系重大。
4）镍锌铁氧体的烧结工艺简单，不需要气氛保护，烧结温度相对较低，通过适当的离子替代和掺杂改性后可与LTCC（低温共烧陶瓷）工艺兼容。
LTCC是未来电子器件制造的最好方法。
5）通过改变配方及制备工艺的更加精细，镍锌铁氧体材料也完全可以获得高的磁导率和比锰锌铁氧体高得多的Q值。
27、为什么说镍锌铁氧体材料更优秀？
功率铁氧体又称电源铁氧体，是一种高Bs低损耗的材料，其主要特点是在高频（几百KHz）、高磁感应强度（几百mT）的条件下，仍能保持很低的功耗，而且其功耗随磁芯的温升反而下降，具有负的温度特性，在300℃时达到最低点从而可以形成很好的良性循环，这一点实难可贵。
功率铁氧体的主要用途是以各种
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