平面變壓器發展的必然性

由于渦流效應，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，這增加了熱設計難度，并限制了開關功率轉換器功率密度的進一步提高。因此，研究線圈損耗模型、設計技術、開發新的線圈結構來減小其損耗，也是電力電子高頻磁技術重要的研究內容，是工業界迫切需要解決的問題。國外學術界和工業界對此進行了積極的研究，而國內對磁集成等高頻磁技術進行了一定程度的研究，但對線圈技術的研究較少。

由于單線圈結構、散熱特性和參數一致性差，傳統的繞線式磁性元件已經不能滿足開關電源高頻化和低截面的發展趨勢。低截面平面磁性元件克服了傳統磁性元件的缺點，得到了廣泛的應用。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，對線圈結構和設計技術提出了更高的要求，尤其是高頻大電流應用。為了考慮高頻渦流效應采用的并聯線圈結構和載流面積，一些傳統的線圈結構和設計方法不再適用。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：平面變壓器根據設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）型變壓器可以節省繞組骨架，增加散熱面積，減少高頻運行時集膚效應和鄰近效應引起的渦流損耗，增加電流密度，更高可以達到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，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體電阻大的缺點而提出的。以氧化鋁為基體，采用厚膜技術，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。采用厚膜技術制造的平面變壓器效率普遍較低，因此尋求進一步的技術來提高平面變壓器的厚膜技術是實現平面變壓器高頻集成化的關鍵。

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，但常規方法很難制成合適的微型磁性薄膜，因此有必要開發新的成膜技術。目前國外主要采用的沉積技術有PVD、 CVD和化學刻蝕、激光燒蝕、光照射和低溫鍍膜等。Yamaguchi K 等設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67%。

4. 亞微米型變壓器

采用化學方法合成了一種亞微米型變壓器，并以低溫(900℃)燒結的鎳鉻鐵氧體為介電材料,Ag為內電極，采用流延和絲網印刷技術制備，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構新穎，改變了傳統變壓器的結構特點。變壓器的一次繞組和二次繞組采用絲網印刷技術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，在范圍內達到更大值。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，輸出功率隨著負載的增加先增大后減小，存在一個輸出功率較大的負載電阻值。（3）在一定的輸入電壓和輸出負載下，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，存在飽和負載電阻值。當負載電阻值小于飽和負載電阻值時，變壓器的輸出電壓隨著負載的增加而增加，但當負載電阻值大于飽和負載電阻值時，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。當負載電阻值等于飽和負載電阻值時，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。