平面變壓器發(fā)展的必然性
由于渦流效應(yīng)，磁性元件的線圈損耗在高工作頻率和高電流下顯著增加，這不僅減小了效率，而且增加了溫升，這增加了熱設(shè)計難度，并限制了開關(guān)功率轉(zhuǎn)換器功率密度的進(jìn)一步提高。因此，研究線圈損耗模型、設(shè)計技術(shù)、開發(fā)新的線圈結(jié)構(gòu)來減小其損耗，也是電力電子高頻磁技術(shù)重要的研究內(nèi)容，是工業(yè)界迫切需要解決的問題。國外學(xué)術(shù)界和工業(yè)界對此進(jìn)行了積極的研究，而國內(nèi)對磁集成等高頻磁技術(shù)進(jìn)行了一定程度的研究，但對線圈技術(shù)的研究較少。
由于單線圈結(jié)構(gòu)、散熱特性和參數(shù)一致性差，傳統(tǒng)的繞線式磁性元件已經(jīng)不能滿足開關(guān)電源高頻化和低截面的發(fā)展趨勢。低截面平面磁性元件克服了傳統(tǒng)磁性元件的缺點，得到了廣泛的應(yīng)用。由于平面變壓器的高功率密度和低窗口高度，以及較高的工作頻率和電流，對線圈結(jié)構(gòu)和設(shè)計技術(shù)提出了更高的要求，尤其是高頻大電流應(yīng)用。為了考慮高頻渦流效應(yīng)采用的并聯(lián)線圈結(jié)構(gòu)和載流面積，一些傳統(tǒng)的線圈結(jié)構(gòu)和設(shè)計方法不再適用。在平面變壓器中，銅箔/PCB印刷電路板線圈被廣泛使用。
平面變壓器的類型
平面變壓器分類：平面變壓器根據(jù)設(shè)計和制造工藝的不同，可分為印刷電路板(PCB)型、厚膜型、薄膜型、亞微米型。
1. 印刷電路板（PCB）型
印刷電路板（PCB）型變壓器可以節(jié)省繞組骨架，增加散熱面積，減少高頻運行時集膚效應(yīng)和鄰近效應(yīng)引起的渦流損耗，增加電流密度，更高可以達(dá)到20A/mm，功率大，工藝簡單。但是用PCB，窗口利用率低，只有0.25~0.3，而傳統(tǒng)變壓器的窗口利用率為0.4，體積也大。PCB變壓器功率為20kW，頻率為兆赫。采用脈沖平面技術(shù)，多層印刷電路板夾在磁芯之間，這種薄型而高效的鐵氧體平面變壓器底部面積小，高度只有7.4毫米，工作頻率為150 ~ 750千赫，工作溫度為-400~1300。
2. 厚膜型變壓器
厚膜型變壓器是為了克服薄膜變壓器導(dǎo)體電阻大的缺點而提出的。以氧化鋁為基體，采用厚膜技術(shù)，在上、下表面分別印刷一次繞組和二次繞組。由鐵氧體制成的平面變壓器在2MHz時的效率為85%，輸出功率為75W。采用厚膜技術(shù)制造的平面變壓器效率普遍較低，因此尋求進(jìn)一步的技術(shù)來提高平面變壓器的厚膜技術(shù)是實現(xiàn)平面變壓器高頻集成化的關(guān)鍵。
3. 薄膜變壓器
薄膜型變壓器是利用磁性薄膜研制的一種疊層微型變壓器。變壓器高度小于1毫米，工作頻率超過1兆赫。它體積小，易于集成，但僅適用于低功耗情況。它們大多使用金屬磁性材料，如坡莫合金、鐵硅鋁和非晶合金。主要是因為它們具有高BS和高滲透性。Tsuijimotl等用膠帶（銅厚35μm，長34mm，寬3mm）、絕緣膜（厚度100μm）和非晶CoNbZr膜（1.8μm）制作了高頻輸出電壓可控的薄膜變壓器——針孔型變壓器，還制作了厚度210μm的片式變壓器，由兩層厚度10μm的CoZr非晶膜制成，用于頻率為5V、 0.3A、 1MHz的開關(guān)電源77.5%的鐵氧體材料（主要是MnZn系）也可以制成薄膜型變壓器，但常規(guī)方法很難制成合適的微型磁性薄膜，因此有必要開發(fā)新的成膜技術(shù)。目前國外主要采用的沉積技術(shù)有PVD、 CVD和化學(xué)刻蝕、激光燒蝕、光照射和低溫鍍膜等。Yamaguchi K 等設(shè)計制造的微型變壓器面積只有2.4mmx3.1mm，在10兆赫時效率可達(dá)67%。
4. 亞微米型變壓器
采用化學(xué)方法合成了一種亞微米型變壓器，并以低溫(900℃)燒結(jié)的鎳鉻鐵氧體為介電材料,Ag為內(nèi)電極，采用流延和絲網(wǎng)印刷技術(shù)制備，它體積小，重量輕，易于集成，工藝簡單。兩種片式亞微米型變壓器的尺寸分別為2.1厘米x2.1厘米x1毫米和8毫米x8毫米x1毫米，設(shè)計變比分別為6和4，工作頻率為1~10MHz。亞微米型平面變壓器結(jié)構(gòu)新穎，改變了傳統(tǒng)變壓器的結(jié)構(gòu)特點。變壓器的一次繞組和二次繞組采用絲網(wǎng)印刷技術(shù)在鐵氧體材料中燒制而成，其外觀類似于表面貼裝集成電路器件。亞微米型平面變壓器的電氣性能測試表明：（1）空載條件下，變壓比隨著輸入電壓的增大先增大后減小，在范圍內(nèi)達(dá)到更大值。此外，變壓比隨著輸入信號頻率的增加而增加。（2）在一定的輸入頻率和電壓下，輸出功率隨著負(fù)載的增加先增大后減小，存在一個輸出功率較大的負(fù)載電阻值。（3）在一定的輸入電壓和輸出負(fù)載下，隨著輸入電壓頻率的增加，變壓器的變壓比逐漸增大，當(dāng)輸入電壓頻率高于某一臨界值時，變壓比基本保持不變。波形畸變程度隨著輸入電壓頻率的增加而減小。（4）在固定輸入頻率下，存在飽和負(fù)載電阻值。當(dāng)負(fù)載電阻值小于飽和負(fù)載電阻值時，變壓器的輸出電壓隨著負(fù)載的增加而增加，但當(dāng)負(fù)載電阻值大于飽和負(fù)載電阻值時，輸出電壓變化很小或基本保持不變。隨著頻率的增加，飽和荷載的阻抗值逐漸增大。當(dāng)負(fù)載電阻值等于飽和負(fù)載電阻值時，變壓器的變壓比基本不隨輸入電壓的變化而變化，但隨著輸入電壓的增加，輸入輸出電壓的波形畸變程度增大。
