一种漏感可调的平面变压器

李建江　张雪梅　陈丽莉　黄龙

【摘 要】直流开关电源一般采用软开关谐振的方式，可以利用高频变压器在高频环境下的漏感和分布电容构成LCC串并联谐振回路。为满足模块化电源系列化生产的需要，本文设计了一种组合U型磁芯平面变压器，通过调整条型金属软磁磁芯的磁导率来调整变压器的漏感，以满足软开关电源谐振电路的需要。

【关键词】谐振电路；U型磁芯；平面变压器；漏感调整；一致性

目前，直流开关电源的发展趋势是高开关频率、低功耗、高功率密度、模块化以及扁平化，以达到开关电源小型化、轻量化的目的。高频变压器作为开关电源的主要磁性元器件，它的设计是开关直流电源的关键因素。传统变压器的立体结构由于其结构不利于散热，已经不适宜电源扁平化的趋势。本文研究一种U型磁芯平面变压器，其具有高频、高功率密度、高效率等特点。

1 高频平面变压器的分布参数

宽扁型的平面变压器的结构增加了磁件表面的散热面积[1]，提高了功率密度，且在高频环境下不会出现开关损耗大变压器过热的现象。但是随着开关频率的提高，电源内部的电磁环境变得更复杂，高频下变压器的漏感和分布电容影响变得十分明显[2]，影响着电路参数的设计。考虑变压器漏感和分布电容，并将二次侧漏感和分布电容折合到一次侧的变压器等效电路模型如图1所示。

设LP和LS是变压器初次级的漏感，CP和CS是变压器初次级的分布电容，则：

设μe为磁芯的有效磁导率，N1、N2分别为初次级绕组匝数，Ae 为磁芯的有效截面积，Le为磁芯的有效磁路长度，M是变压器初次级绕组之间的互感，根据文献[2]可推导初级漏感。

同理可得出次级漏感。等效分布电容一般是皮法数量级，在工频时可忽略，但在高频时不容忽视[3]，该分布电容由绕组的结构、绝缘厚度以及层间的绝缘介质及绕制方法等等因素决定。

2 软开关谐振电路

在直流开关电源中，如果将逆变器产生的交流高频电压直接加在高频变压器两端，由于变压器寄生电容的存在很可能会出现很大的电压尖峰损坏功率器件，而且随着开关频率的提高开关管损耗也增加。可以将变压器中的寄生参数漏感和分布电容加入到谐振电路中，消除尖峰造成的影响。而且通过设置合理的回路参数，使幵关管具有零电压开关和零电流开关的功能[5]，从而降低幵关管的损耗。所以目前应用的直流开关电源一般采用软开关谐振的方式。采用软开关谐振的直流开关电源的主电路由逆变器、谐振回路、高频变压器及滤波器组成，其中谐振回路通常采用LCC串并联谐振回路，根据前面的分析，同时考虑开关管的分布电容的存在，高频变压器就是一个串并联谐振网络[4]。谐振电路的电感器和电容由变压器的漏感和分布电容以及开关管的分布电容来提供，减少了元器件的数量和缩小了整个电源的体积。在平面变压器的设计中要充分考虑如何对变压器的漏感和分布电容进行控制调整并应用。

3 漏感可调的U型磁芯平面变压器

传统变压器的漏感和分布电容，很难控制其批次一致性，这样给实际的电路批产调试带来了很大的难度。为解决上述问题，本文给出一种U型磁芯平面变压器，通过调整金属软磁磁芯的磁导率来调整整个变压器的漏感，以满足软开关电源谐振电路的需要。着重对U型磁芯结构、导磁率调整技术、漏感控制技术进行研究，分析影响变压器效率的因素，优化U型磁芯结构工艺，完成了一种U型平面变压器的研制。

3.1 U型组合磁芯的结构

通过磁电结合的研究方式，发明了一种新型的磁芯及磁路结构，以满足宽频率范围内零电压零电流软开关变频谐振电源拓扑要求。整体磁芯由一对U型磁芯通过胶水相互拼接而成，单个U型磁芯为扁平型铁氧体软磁磁芯。通常来讲，同一功率电源往往采用同一尺寸磁芯，以满足模块电源系列化生产的需要，但是当平面电源变压器变比发生变化后，谐振电路需要的电感量就要发生变化。为了便于漏感的调试，本设计在U型磁芯上开始卡槽，并设计了一种条型金属软磁磁芯并将其装入U型磁芯的卡槽内，当金属软磁磁芯的磁导率变化时就改变了漏感。备有一系列等结构尺寸不同磁导率的条型金属软磁磁芯，通过更换金属软磁磁芯来调整和控制漏感。U型磁芯的结构如图2所示。

3.2 U型磁芯平面变压器的结构

该U型平面变压器包括一对相互拼接的U型金属外壳，U型金属外壳为非导磁金属材料，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、控制分布电容的介电常数；在金属外壳内有如图2的一对U型组合磁芯（包括U型磁芯内的条形金属软磁芯）。

该平面变压器采用一种新型的绕组材料及绕制工艺，并设计了一种新型的骨架及绕组结构，既满足了高频、高功率密度要求，又满足了3000V的绝缘耐压要求。具体是在U型磁芯两侧和条形金属软磁芯外侧设有一对绝缘骨架，用于分别缠绕初级和次级绕组，这一结构实现了分布电容和漏感的批次稳定性和一致性；初级绕组、次级绕组采用三层绝缘线制作，三层绝缘线分别是绝缘漆包线编织成的丝网扁平线、绝缘膜铜箔、漆包扁铜线，初级绕组和次级绕组均选择符合趋肤深度要求的覆膜铜箔和由圆漆包线编织成的扁平线制作，并采用单层密绕的方式绕在磁芯的两侧。

对变压器进行组装时，先将非导磁U型金属外壳嵌套并粘接到U型铁氧体磁芯上；将两个U型磁芯对接并安装到两个已经绕有绕组的绝缘支架；将条型金属软磁磁芯嵌套到U型铁氧体磁芯的卡槽内，根据设计要求测试变压器的漏感是否符合要求，通过更换不同磁导率的条型金属软磁磁芯来改变变压器的漏感，当所测漏感满足要求时，使用环氧树脂将U型铁氧体磁芯对接处、磁芯卡槽与条型磁芯对接处、绝缘支架与U型铁氧体磁芯的结合处进行粘接；最后将两片绝缘隔板分别插入到绕组与条型磁芯间的缝隙处并将其粘接到条型磁芯与绕组上。组装后的产品经中国航天科技集团北京华航无线电测量研究所环境实验检测中心测试，性能指标达到了开关电源变压器总规范标准。

4 结束语

本文研究的U型磁芯平面变压器，磁芯采用扁平化设计，采用多层绕组的边带制作技术，避免由于频率升高增加温升；通过调整条型金属软磁磁芯的磁导率来调整整个变压器的漏感，以满足软开关电源谐振电路的需要；金属外壳采用非导磁金属用于控制磁芯的表面漏感、分布电容的介电常数，并起到散热作用。与传统软开关谐振电源用传统变压器比较，其扁平化设计更加适宜模块电源需求、散热好、功率密度高、效率高、分布参数一致性好，其组合U型磁芯结构使漏感调整方式更加灵活方便。本设计已取得发明专利一项。应用该变压器做成的软开关谐振电源工作频率可达3MHz，且便于调试生产，一致性好，生产效率高，性能稳定，为实现模块电源系列化生产提供了保障。

【参考文献】

[1]王三新.高频平面变压器漏感的理论分析[J].矿山机械，2008（18）：18-20.

[2]刘燕，王京梅，兰中文.高频开关电源功率变压器的漏感[J].磁性材料及器件，2006（5）：54-56.

[3]曾光，金舜，史明.高频高压变压器分布电容的分析与处理[J].电力电子技术， 2002（6）：54-57.

[4]吴为麟，邹家勇，陈永延.考虑分布电容的高压直流电源谐振参数设计[J].电力自动化设备，2009（9）：26-29.

[5]张磊.基于谐振软开关的高频静电除尘电源的研究[D].大连：大连理工大学，2013.

[责任编辑：王楠]