平面变压器与应用综述
Survey and application of the planar transformer
1.
引言
高频、高功率密度的电源变换模块在电力电子设备中得到广泛的应用和发展。要提高变换器的功率密度，
关键是降低磁性元件的体积和重量。一方面，从传统的电工磁理论考虑，对于一定的线圈窗口面积和铁芯
横截面积，对最优结构，要求线圈回路和铁芯回路的长度最短，以减小铁芯总体积和线圈的平均长度；另
一方面，从热设计理论考虑，最大化地增加磁性元件的散热表面积，且使从磁件热点到磁件表面积的热阻
降低，从而提高功率密度。
变压器结构正经历三次更新换代。第一次是平面变压器，体积和重量比立体变压器
(
普通变压器
)
减少
80%
，
已形成从
5W
至
20KW
，
20KHZ
至
2MHZ
的产品，效率典型值为
98%
。第二次是片式变压器，对低压大电流特
别适用，高度
(
厚度
)
更进一步降低，电流可达
100
安以上，采用一个次级绕组多个磁芯组成，代替以前的
一个磁芯多个绕组。多个磁芯的初级绕组串联，从而达到降压隔离的要求。内部温升比平面变压器低，只
有
10℃左右。可以装在额定温升更高的基板上工作。第三次是薄膜变压器，采用薄膜后高度低于
1mm
。工
作频率超过
1MHZ
，达到
10~100MHZ
。由于采用集成电路工艺制造，成本并不增加。是直流开关电源变压器
的最新发展方向。之所以强调
"
正经历
"
，是因为在现阶段，不同的应用范围和市场，从性能价格比出发，
要求的变压器结构形式也不一样。立体变压器仍然大量使用。平面变压器已形成系列，正在推广。片式变
压器处于个别和小批量生产阶段。薄膜变压器只是个别情况，仍处于研究开发阶段。
由此可见，铁氧体平面变压器将在未来的功率变换模块中发挥极为重要的作用，特别在较大功率模块中起
的作用显得更为突出。
2.
结构原理
平面变压器通常有
2
个或
2
个以上大小一样的柱状磁芯。现以
2
个磁芯的平面变压器为例介绍其结构，如
图
1
所示。每个磁芯柱在对角线上的两角都用铜皮连接，铜皮在通过磁芯柱时紧贴磁芯内壁。两个磁芯并
排放置，相邻的两角用铜皮焊接起来，在一个磁芯的一个外侧面上的两个角上的铜皮用一片铜皮焊接在一
起，这就是平面变压器次级线圈的中心，如果在这里引出抽头，就是次级线圈的中心抽头；在另一个磁芯
的外侧面上的两个角上的铜皮就是平面变压器次级线圈的两端。这样就基本构成一个平面变压器的主体部
分。它的次级线圈只有一匝，而且可以带有中心抽头。一个完整的平面变压器还有一个预置的储能电感，
它的一端常接在中心抽头上，上、下各有一片固定铜板，它们将磁芯和滤波电感夹在中间，同时作为整流
电源的两极和散热板。

平面变压器的设计
1.什么是平面变压器
1.1 原理
1.2 优缺点
2. 设计原则
2.1 计算过程
3. 注意事项

1.什么是平面变压器
1.1 原理
平面变压器的类型有多种，这里主要是介绍PCB式的平面变压器，指的是PCB上放置线圈，再将磁芯嵌入到pcb中，这里省去了骨架。

PCB平面变压器有两种，单独的平面变压器和集成到PCB板的变压器。

单独的平面变压器。



集成平面变压器


1.2 优缺点
优点如下：

体积小，功率密度大
磁路短，热传导距离短，磁表面积大，散热好
PCB做的绕组，所以集肤效应小，允许载流密度高，能达到20A/mm左右。
漏感小

缺点如下：

窗口小，利用率仅为0.25-0.3
变压器匝数少，磁通大，容易饱和，不适合于反激
由于层与层之间距离小，所以分布电容较大
不适用于大电流的场合，否则窗口面积小
磁通分布不平衡，导致有的地方温度高，所以容易损坏变压器

2. 设计原则
2.1 计算过程
以正激变压器为例说明。

（1）计算变压器匝比。

计算方法同绕线式变压器，根据拓扑和原副边电压，目标占空比，得出变压器匝比。

（2）确定最大温升下的磁芯损耗

根据经验，选择铁芯形状，核算磁芯损耗。



（3）计算最大的磁通

根据磁损（根据单位体积的温升计算）算最大磁通，ct0，ct1，ct2是磁芯的参数，可以找磁芯厂家的资料。





（4）确定匝数。

跟绕线式的一样，利用输入电压，占空比，频率等计算。

（5）计算绕组敷铜宽度

平面变压器的PCB层数，可以根据绕组分布来，若绕组分布如下面所示，则可采用6层PCB，层与层之间填充绝缘。绝缘厚度0.2mm，铺铜厚度70um或者35um。



根据下面的式子计算每一层的走线宽度，其中bw为窗口宽度，可以根据磁芯获得；s是每匝绕组的间隙，可设为0.2mm，N是每层绕组的匝数。




其他说明：

其实平面变压器的设计与普通变压器的设计过程是一样的，只不过导线选择时，换为PCB里的走线。磁芯大小的选择，匝比，匝数的选择都一样，在计算PCB走线宽度时，用（2）中的公式。
3. 注意事项
1、pcb板材的铜箔厚度；

一般为1oz或者2oz。

2、 层间的绝缘间隙高度；

要么原副边加阻焊层50um，要么400um的绝缘距离，原边与原边、副边与副边200um。

3.绕组的结构

有串联和并联两种，如下图所示。



4.变压器的磁芯

平面变压器一般采用高频功率铁氧体软磁材料制成的 E型、EC、ETD和EER型磁芯、RM型等磁芯。
参考文献

《design of planar power transformers》

《开关电源变压器的优化与设计》

	

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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。
平面变压器的分类 
平面变压器按设计制作工艺的不同，可分为印刷电路(PCB)型，厚膜型、薄膜型、亚微米型4种，今天重点讲述的是PCB型平面变压器！
01PCB 型变压器
印刷电路 PCB(printed circuit board)型变压器可省去绕组骨架，能增大散热面积，能减小在高频工作时由集肤效应和邻近效应所引起的涡流损耗，也能增大电流密度，其电流密度最高可达 20A/mm，功率大，工艺简单。但用 PCB，窗口利用率低，仅为0.25~0.3，传统变压器的窗口利用率为 0.4，其体积也较大。PCB 型变压器其功率可高达 20kW ，频率可达兆赫数量级。采用 pulse 的平面技术，多层 PCB 夹在磁芯之间，薄型高效铁氧体平面变压器，其底部面积小，高度只有7.4mm，工作频率为 150~750kHz，工作温度为-400~1300。
02厚膜变压器
厚膜变压器是为了克服薄膜变压器中导体电阻大的缺陷而提出的。以氧化铝作基体，采用厚膜工艺，在其上、下表面各印制了初级和次级绕组，用铁氧体制作的平面变压器在 2MHz，输出功率为 75W 时，效率达 85%。厚膜工艺制造出的平面变压器效率一般较低，因此寻求更进一步的工艺技术以完善平面变压器制造的厚膜工艺是实现平面变压器高频集成化的关键。
03薄膜型变压器
薄膜型变压器是一种用磁性薄膜研制的叠层微型变压器，采用薄膜后高度低于 1mm，工作频率超过 1MHz，其体积小，易于集成，但只适用于小功率情况。它们绝大多数采用金属磁性材料，如坡莫合金、铁硅铝和非晶合金。主要是因为它们有高 BS 和高磁导率。Tsuijimotl 等人用带式(铜厚 35μm，长 34mm，宽 3mm)加以绝缘膜(厚 100μm)，非晶 CoNbZr 膜(1.8μm)构成一种能在高频下输出电压可控的薄膜变压器——针孔型变压器，还制成了厚度为 210μm的片式变压器。它是采用两层 10μm 厚的 CoZr 非晶薄膜做成的，用于 5V、0.3A、1MHz 的开关电源，77.5% 铁氧体材料(以 MnZn系为主)也可以制成薄膜型变压器，但用常规的方法很难制出合适的微型磁膜，故需开发新的成膜技术。目前国外主要采用 PVD、CVD 等沉积技术配合化学蚀刻，激光烧蚀法、光照射低温镀膜法等成膜技术。Yamaguchi K 等设计制作的微型变压器，其面积只有2.4mm×3.1mm，在 10MHz 时效率可达 67%。
04亚微米型变压器
亚微米变压器是利用化学法合成，采用低温(900℃)烧结的 NiCuZn 铁氧体为介质材料，以 Ag 为内电极，用流延和丝网印刷技术的方法制备而成的，其体积小、质量轻、易于集成、工艺简单。两种片式亚微米型变压器，外形尺寸分别为 2.1cm×2.1cm×1mm和 8mm×8mm×1mm，设计变压比分别为 6 和 4，工作频率为1~10MHz。 亚微米型平面变压器结构新颖，改变了传统变压器的结构特征，将变压器原边和副边绕组采用丝网印刷技术烧制在铁氧体材料中，外型类似表贴的集成电路器件。对亚微米型平面变压器的电气性能测试表明：①空载情况下，变压比先随着输入电压的增加而增大，而后随着输入电压的增加而减小，范围内达到最大值。另外，变压比随着输入信号频率的增加而增大。②在一定输入频率和电压情况下，输出功率随负载的增大先升高再降低，存在一个输出功率最大的负载电阻值。③在一定输入电压和输出负载的情况下，随着输入电压频率的增加，变压器的变压比逐渐增大，当输入电压频率高于某一临界值后，变压比基本保持不变。波形畸变程度随着输入电压频率的增加而减小。④在一个固定输入频率下，存在一个饱和负载电阻值，当负载电阻值小于饱和负载电阻值时，则变压器的输出电压随负载增大而增大，但当负载电阻值大于饱和负载电阻值时，输出电压的变化很小或基本保持不变。随着频率的升高饱和负载电阻值逐渐增大。在负载电阻值等于饱和负载电阻值时，变压器的变压比基本不随输入电压的变化而变化，但随着输入电压的升高，输入输出电压的波形畸变程度增强。
平面变压器的结构特点是什么？
答：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。
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。
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答：温度计是用来测量油箱里面上层油温的，起到监视电力变压器是否正常运行的作用。温度计按变压器容量大小可分为Hg温度计、信号温度计、电阻温度计三种测温方法。36、高压断路器的分合闸缓冲器起什么作用？答：分闸缓冲器的作用是防止因弹簧释放能量时产生的巨大冲击力损坏断路器的零部件。合闸缓冲器的作用是防止合闸时的冲击力使合闸过深而损坏套管。
UPS，就是不间断电源。通常是弱电机房工程子系统之一，是将蓄电池与主机设备相连接，主要用于给设备提供稳定、不间断的电力供应。当市电输入正常时，UPS将市电稳压后供应给负载使用，此时的UPS就是一台交流式电稳压器，同时它还向机内电池充电；当市电中断(事故停电)时，UPS立即将电池的直流电能，通过逆变器切换转换的方法向负载继续供应220V交流电，使负载维持正常工作并保护负载软、硬件不受损坏。
莆田大型变压器规格
⑦高低压电流计算。(以1250KVA变压器为例)。高压侧：1250/10/1.732。低压侧：125/0.4/1.732。⑧专业术语。中性点端子：星型联结公共点。绕组：电压值对应点的一组绕组。分接绕组：有效匝数可逐级改变的绕组。相绕组：构成三个相的一个相的线匝绕组。⑨变压器铁芯为什么只允许一点接地？
首先我们看看铁芯。铁芯的作用：铁芯既是磁路，也是套装绕组的骨架，由铁心柱(套有绕组)和铁辄(形成闭合磁路)组成。铁芯的材料：铁芯由0.35~0.5毫米的厚硅钢片叠成。铁芯的分类：铁芯有心式和壳式两种，电力变压器主要用心式。然后我们看看绕组。绕组的作用：绕组是变压器的电路部分。绕组的材料：绕组一般用绝缘铜线或铝线(扁线或圆线)绕制而成，也称线圈。
平面变压器价格
对于供电质量来说，对于Yyn0接线的配变，由于二次零序磁通未被去磁，零序阻抗大，因此零序电压也较大；而Dyn11接线中由于一次零序磁通的去磁，使铁芯中合成零序磁通很小。据实测数据发现，同容量的配变Yyn0接线零序阻抗比Dyn11接线大8～10倍.这样在同样的零序电流下，零序电压前者比后者大8～10倍，从而造成Yyn0接线配变中性点产生较大偏移，相电压不对称程度严重。