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1、 平面變壓器的結(jié)構(gòu)原理與應(yīng)用 平面變壓器的結(jié)構(gòu)原理與應(yīng)用 類別:電源技術(shù) 作者:上海交通大學電力學院(200030) 羅利文 來源:電子技術(shù)應(yīng)用
2、0; 摘要:大多數(shù)變換器都需要隔離變壓器而平面變壓器技術(shù)在隔離變壓器的許多方面實現(xiàn)了重要的突破。介紹了平面變壓器的結(jié)構(gòu)、性能和使用方法。 關(guān)鍵詞:隔離變壓器 平面變壓器 開關(guān)電源 在變
3、換中,基本的、變換器是不需要開關(guān)隔離變壓器的。但如果要求輸出與輸入隔離,或要求得到多組輸出電壓,就要在開關(guān)元件與整流元件之間使用開關(guān)隔離變壓器,所以絕大多數(shù)變換器都有隔離變壓器。目前開關(guān)電源的發(fā)展趨勢是效率更高、體積更小、重量更輕,而傳統(tǒng)的隔離變壓器在效率、體積、重量等方面嚴重制約了開關(guān)電源的進一步發(fā)展。同時由于變壓器涉及到的主要參數(shù)有電壓、電流、頻率、變比、溫度、磁芯值、漏抗、損耗、外形尺寸等,所以一直無法象其它電子元器件那樣有現(xiàn)成的變壓器可供選用,常常要經(jīng)過繁瑣的計算來選用磁芯和繞組導(dǎo)線,而且繞組繞制對變壓器的性能也有較大影響,加之變壓器的許多重要參數(shù)不易測量,給使用帶來一定的盲目性,很難
4、在頻率響應(yīng)、漏抗、體積和散熱等方面達到滿意效果。平面變壓器( 技術(shù)則在隔離變壓器的許多方面實現(xiàn)了重要的突破。 目前,國外的許多電源產(chǎn)品中都開始采用平面變壓器技術(shù),如蓄電池充電電源、通信設(shè)備分布式電源、等。而國內(nèi)的隔離開關(guān)變壓器在材料、工藝等方面與國外先進國家有一定差距,阻礙了開關(guān)電源開關(guān)高頻的提升和效率提高,使開關(guān)電源產(chǎn)品停留在一個較低的水平。平面變壓器技術(shù)將會為高頻開關(guān)電源的設(shè)計和產(chǎn)品化提供有益的幫助。 傳統(tǒng)變壓器的繞組常常是繞在一個磁芯上,而且匝數(shù)較
5、多。而平面變壓器(單元)只有一匝網(wǎng)狀次級繞組,這一匝繞組也不同于傳統(tǒng)的漆包線,而是一片銅皮,貼繞在多個同樣大小的沖壓鐵氧體磁芯表面上。所以平面變壓器的輸出電壓取決于磁芯的個數(shù),而且平面變壓器的輸出電流可以通過并聯(lián)進行擴充,以滿足設(shè)計的要求。并且平面變壓器原邊繞組的匝數(shù)通常也只有數(shù)匝,不僅有效降低了銅損和分布電容、電抗,而且為繞制帶來了很多便利。由于磁芯是用簡單的沖壓件組合而成的,性能的一致性大大提高,也為大批量生產(chǎn)降低了成本。 1 平面變壓器的結(jié)構(gòu)和性能 1.1 結(jié)構(gòu)
6、 平面變壓器通常有個或個以上大小一樣的柱狀磁芯(圖)?,F(xiàn)以個磁芯的平面變壓器為例介紹其結(jié)構(gòu)。每個磁芯柱在對角線上的兩角都用銅皮連接,銅皮在通過磁芯柱時緊貼磁芯內(nèi)壁(圖)。兩個磁芯并排放置,相鄰的兩角用銅皮焊接起來,在一個磁芯的一個外側(cè)面上的兩個角上的銅皮用一片銅皮焊接在一起,這里就是平面變壓器次級線圈的中心,如果在這里引出抽頭,就是次級線圈的中心抽頭;在另一個磁芯的一個外側(cè)面上的兩個角上的銅皮就是平面變壓器次級線圈的兩端(圖)。這樣就基本構(gòu)成一個平面變壓器的主體部分。它的次級線圈只有匝,而且可以帶有中心抽頭。一個完整的平面變壓器還有一個預(yù)置的儲能電感(,),它的一端常接在中心抽頭上
7、,上、下各有一片固定銅板,它們將磁芯和濾波電感夾在中間,同時作為整流電源的兩極(圖)和散熱板(實際使用中還要根據(jù)功率的大小加裝散熱板)。 1.2 性能 這種結(jié)構(gòu)的變壓器體積小,高度有和兩種。繞線匝數(shù)大大少于傳統(tǒng)的變壓器,結(jié)構(gòu)更緊湊,磁耦合大大優(yōu)于傳統(tǒng)的變壓器,漏抗小于,所以它可以在更高的頻率下工作,有利于電源轉(zhuǎn)換效率的提高。緊密的磁芯的幾何形狀限制了熱點的產(chǎn)生,降低了熱耗,因此允許更高的能量密度。同時本身的散熱條件大大優(yōu)于傳統(tǒng)的變壓器。所以平面變壓器的體積、重量大大降低,而效率更高。更重要的是,它為開
8、關(guān)電源中開關(guān)變壓器提供了一個通用的選擇,省去了復(fù)雜的計算、選料和變壓器繞制過程。它在簡化和優(yōu)化設(shè)計的同時,還縮小了體積,降低了成本。所以平面變壓器非常適合應(yīng)用在低壓(、大電流(每磁芯)的開關(guān)電源或逆變電源的設(shè)計中,對變壓器的拓撲結(jié)構(gòu)沒有限制。表列出了×系列平面變壓器的主要技術(shù)參數(shù)。 表1 FTI-12×2A系列扁平變壓器的主要技術(shù)參數(shù) 型 號 1A &
9、#160;2A 3A 4A 5A 容量/W 200 400 600 800 1000
10、60; 輸出電壓/V Min (250kHz) Type Max 1 5 15
11、160; 最大輸出電流/A 40 80 120 160 200 磁芯截面積/CM2 0.68 1.36 2.04
12、160; 2.72 3.4 磁路長度/CM3 2.8 磁芯體積/CM3 2.0 4.0 6.0 8.0
13、 10.0 鐵損(250kHz, Bm=80mT,Vout=5V) 400mW 800mW 1.2W 1.6W 2.0W
14、160; 泄漏電感(Per turn sq.) 4nH 8nH 12nH 16nH 20nH 2 平面變壓器的使用 平面變壓器的使用主要有以下三個原則: (
15、)根據(jù)輸出電壓的大小來選用相應(yīng)型號的平面變壓器; ()根據(jù)輸出電流的大小來確定并聯(lián)的平面變壓器個數(shù); ()根據(jù)輸入輸出電壓的大小來確定變比及原邊繞組的匝數(shù)。 例如,開關(guān)電源輸出電壓,輸出電流。選用系列的平面變壓器×。如果用×,就需要個并聯(lián);如果用×(實際就是由個×并聯(lián)構(gòu)成),只需要個。 此外,實際應(yīng)用中還需要知道平面變壓器的變化和原邊線圈的匝數(shù)。變比可用下面公式進行計算: 變比××: 式中,是系數(shù)。當平面變壓器的輸出是通過中心抽頭時,;平面變壓器無中心抽頭時,。是并聯(lián)的平面變壓器單元個數(shù)。平面變壓器原邊匝數(shù)。 上面的例子中,如果輸出平面變壓器使用中心抽頭,輸入的直流電壓為,變比可定為:,則原邊匝數(shù)(×)。如果輸入的直流電壓為,變比可定為,則原邊匝數(shù)×。由此可見平面變壓器的原邊繞組的匝數(shù)通常是很少的。
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