平面变压器发展的必然性

由于涡流效应，在高工作频率和大电流下，磁元件线圈损耗显著增加，这不仅降低了效率，而且 引起温升增大，增加了热设计困难，限制了开关功 率变换器功率密度的进一步提高。因此研究线圈损 耗模型、设计技术、开发新型线圈结构以减小其损耗在工业界有迫切的要求，这也是电力电子高频 磁技术一个非常重要的研究内容。国外学术界与工业界对此展开了积极研究，国内虽对磁集成等高频 磁技术展开了一定的研究但对线圈技术的研究则较少。

传统的绕线式磁元件，由于线圈结构单一、散 热特性以及参数一致性差等问题，已无法满足开关电源高频化和低截面的发展趋势。具有低截面的平 面磁元件(planar magnetic components)很好克服了传统磁元件的不足，获得广泛应用。由于平面变压器功率密度高、窗口高度低，而且工作频率与电 流越来越高，对线圈结构和设计技术提出更高的要求，尤其是对于高频率和大电流的应用场合，为了兼顾高频涡流效应和载流面积所采用的并联线圈结构，一些传统的线圈结构和设计方法不再适用。 在平面变压器中，铜箔/PCB 印刷电路板(printed circuit board)线圈应用广泛。

平面变压器的几个种类

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！

1. PCB 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。

2.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。

3. 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%。

4 .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。

新手常问的平面变压器相关问题解答

Q:什么是平面变压器？

答：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。

Q:平面变压器有哪些技术特点？

答：下表 基本归纳了平面变压器的优越性能：

Q: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。

Q:平面变压器的技术优点还有哪些？

答：

（ 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。

Q:平面变压器能够代表变压器的未来方向吗？

答：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。

Q:平面变压器是啥模样的？

答：这里给出它的部分照片。