一種漏感可調的平面變壓器

李建江　張雪梅　陳麗莉　黃龍

【摘 要】直流開關電源一般采用軟開關諧振的方式，可以利用高頻變壓器在高頻環境下的漏感和分布電容構成LCC串并聯諧振回路。為滿足模塊化電源系列化生產的需要，本文設計了一種組合U型磁芯平面變壓器，通過調整條型金屬軟磁磁芯的磁導率來調整變壓器的漏感，以滿足軟開關電源諧振電路的需要。

【關鍵詞】諧振電路；U型磁芯；平面變壓器；漏感調整；一致性

目前，直流開關電源的發展趨勢是高開關頻率、低功耗、高功率密度、模塊化以及扁平化，以達到開關電源小型化、輕量化的目的。高頻變壓器作為開關電源的主要磁性元器件，它的設計是開關直流電源的關鍵因素。傳統變壓器的立體結構由于其結構不利于散熱，已經不適宜電源扁平化的趨勢。本文研究一種U型磁芯平面變壓器，其具有高頻、高功率密度、高效率等特點。

1 高頻平面變壓器的分布參數

寬扁型的平面變壓器的結構增加了磁件表面的散熱面積[1]，提高了功率密度，且在高頻環境下不會出現開關損耗大變壓器過熱的現象。但是隨著開關頻率的提高，電源內部的電磁環境變得更復雜，高頻下變壓器的漏感和分布電容影響變得十分明顯[2]，影響著電路參數的設計?？紤]變壓器漏感和分布電容，并將二次側漏感和分布電容折合到一次側的變壓器等效電路模型如圖1所示。

設LP和LS是變壓器初次級的漏感，CP和CS是變壓器初次級的分布電容，則：

設μe為磁芯的有效磁導率，N1、N2分別為初次級繞組匝數，Ae 為磁芯的有效截面積，Le為磁芯的有效磁路長度，M是變壓器初次級繞組之間的互感，根據文獻[2]可推導初級漏感。

同理可得出次級漏感。等效分布電容一般是皮法數量級，在工頻時可忽略，但在高頻時不容忽視[3]，該分布電容由繞組的結構、絕緣厚度以及層間的絕緣介質及繞制方法等等因素決定。

2 軟開關諧振電路

在直流開關電源中，如果將逆變器產生的交流高頻電壓直接加在高頻變壓器兩端，由于變壓器寄生電容的存在很可能會出現很大的電壓尖峰損壞功率器件，而且隨著開關頻率的提高開關管損耗也增加?？梢詫⒆儔浩髦械募纳鷧德└泻头植茧娙菁尤氲街C振電路中，消除尖峰造成的影響。而且通過設置合理的回路參數，使幵關管具有零電壓開關和零電流開關的功能[5]，從而降低幵關管的損耗。所以目前應用的直流開關電源一般采用軟開關諧振的方式。采用軟開關諧振的直流開關電源的主電路由逆變器、諧振回路、高頻變壓器及濾波器組成，其中諧振回路通常采用LCC串并聯諧振回路，根據前面的分析，同時考慮開關管的分布電容的存在，高頻變壓器就是一個串并聯諧振網絡[4]。諧振電路的電感器和電容由變壓器的漏感和分布電容以及開關管的分布電容來提供，減少了元器件的數量和縮小了整個電源的體積。在平面變壓器的設計中要充分考慮如何對變壓器的漏感和分布電容進行控制調整并應用。

3 漏感可調的U型磁芯平面變壓器

傳統變壓器的漏感和分布電容，很難控制其批次一致性，這樣給實際的電路批產調試帶來了很大的難度。為解決上述問題，本文給出一種U型磁芯平面變壓器，通過調整金屬軟磁磁芯的磁導率來調整整個變壓器的漏感，以滿足軟開關電源諧振電路的需要。著重對U型磁芯結構、導磁率調整技術、漏感控制技術進行研究，分析影響變壓器效率的因素，優化U型磁芯結構工藝，完成了一種U型平面變壓器的研制。

3.1 U型組合磁芯的結構

通過磁電結合的研究方式，發明了一種新型的磁芯及磁路結構，以滿足寬頻率范圍內零電壓零電流軟開關變頻諧振電源拓撲要求。整體磁芯由一對U型磁芯通過膠水相互拼接而成，單個U型磁芯為扁平型鐵氧體軟磁磁芯。通常來講，同一功率電源往往采用同一尺寸磁芯，以滿足模塊電源系列化生產的需要，但是當平面電源變壓器變比發生變化后，諧振電路需要的電感量就要發生變化。為了便于漏感的調試，本設計在U型磁芯上開始卡槽，并設計了一種條型金屬軟磁磁芯并將其裝入U型磁芯的卡槽內，當金屬軟磁磁芯的磁導率變化時就改變了漏感。備有一系列等結構尺寸不同磁導率的條型金屬軟磁磁芯，通過更換金屬軟磁磁芯來調整和控制漏感。U型磁芯的結構如圖2所示。

3.2 U型磁芯平面變壓器的結構

該U型平面變壓器包括一對相互拼接的U型金屬外殼，U型金屬外殼為非導磁金屬材料，罩在U型磁芯上，主要起到屏蔽作用，用以控制U型磁芯的表面漏感、控制分布電容的介電常數；在金屬外殼內有如圖2的一對U型組合磁芯（包括U型磁芯內的條形金屬軟磁芯）。

該平面變壓器采用一種新型的繞組材料及繞制工藝，并設計了一種新型的骨架及繞組結構，既滿足了高頻、高功率密度要求，又滿足了3000V的絕緣耐壓要求。具體是在U型磁芯兩側和條形金屬軟磁芯外側設有一對絕緣骨架，用于分別纏繞初級和次級繞組，這一結構實現了分布電容和漏感的批次穩定性和一致性；初級繞組、次級繞組采用三層絕緣線制作，三層絕緣線分別是絕緣漆包線編織成的絲網扁平線、絕緣膜銅箔、漆包扁銅線，初級繞組和次級繞組均選擇符合趨膚深度要求的覆膜銅箔和由圓漆包線編織成的扁平線制作，并采用單層密繞的方式繞在磁芯的兩側。

對變壓器進行組裝時，先將非導磁U型金屬外殼嵌套并粘接到U型鐵氧體磁芯上；將兩個U型磁芯對接并安裝到兩個已經繞有繞組的絕緣支架；將條型金屬軟磁磁芯嵌套到U型鐵氧體磁芯的卡槽內，根據設計要求測試變壓器的漏感是否符合要求，通過更換不同磁導率的條型金屬軟磁磁芯來改變變壓器的漏感，當所測漏感滿足要求時，使用環氧樹脂將U型鐵氧體磁芯對接處、磁芯卡槽與條型磁芯對接處、絕緣支架與U型鐵氧體磁芯的結合處進行粘接；最后將兩片絕緣隔板分別插入到繞組與條型磁芯間的縫隙處并將其粘接到條型磁芯與繞組上。組裝后的產品經中國航天科技集團北京華航無線電測量研究所環境實驗檢測中心測試，性能指標達到了開關電源變壓器總規范標準。

4 結束語

本文研究的U型磁芯平面變壓器，磁芯采用扁平化設計，采用多層繞組的邊帶制作技術，避免由于頻率升高增加溫升；通過調整條型金屬軟磁磁芯的磁導率來調整整個變壓器的漏感，以滿足軟開關電源諧振電路的需要；金屬外殼采用非導磁金屬用于控制磁芯的表面漏感、分布電容的介電常數，并起到散熱作用。與傳統軟開關諧振電源用傳統變壓器比較，其扁平化設計更加適宜模塊電源需求、散熱好、功率密度高、效率高、分布參數一致性好，其組合U型磁芯結構使漏感調整方式更加靈活方便。本設計已取得發明專利一項。應用該變壓器做成的軟開關諧振電源工作頻率可達3MHz，且便于調試生產，一致性好，生產效率高，性能穩定，為實現模塊電源系列化生產提供了保障。

【參考文獻】

[1]王三新.高頻平面變壓器漏感的理論分析[J].礦山機械，2008（18）：18-20.

[2]劉燕，王京梅，蘭中文.高頻開關電源功率變壓器的漏感[J].磁性材料及器件，2006（5）：54-56.

[3]曾光，金舜，史明.高頻高壓變壓器分布電容的分析與處理[J].電力電子技術， 2002（6）：54-57.

[4]吳為麟，鄒家勇，陳永延.考慮分布電容的高壓直流電源諧振參數設計[J].電力自動化設備，2009（9）：26-29.

[5]張磊.基于諧振軟開關的高頻靜電除塵電源的研究[D].大連：大連理工大學，2013.

[責任編輯：王楠]