專利名稱：高頻平板變壓器的制作方法
技術領域：
本發明涉及高頻開關電源技術和電力電子技術，具體涉及一種高頻平板變壓器。
背景技術：
變壓器由磁芯和繞組構成，磁芯通常選用軟磁鐵氧體材料。傳統的磁芯結構采用 E、P、PQ、環形等形狀，繞組用漆包線或利茲線在骨架上軸向繞制而成。傳統的繞線式變壓器其體積/重量大，尤其是高度，直接影響DC/DC模塊的高度和功率密度。此外，隨著開關頻率的不斷提高，手工繞制的變壓器存在參數離散性大、一致性差、高頻寄生參數大、漏感大等缺點。平板電壓器已逐漸成為現代高頻開關電源(如DC/DC)的核心元件，它擔負著功率傳遞、變壓、絕緣隔離等功能，其性能的優劣直接影響開關電源的性能指標。目前，現有的平板變壓器設計和理論研究是采用印刷電路(PC)設計技術以及pc覆銅技術，變壓器原邊和副邊繞組采用交錯布局技術。對于小電流應用，一般標準的覆銅厚度即可滿足設計要求。 但是，對于大功率應用，為了減小銅耗，需要增加原副邊繞組的層數，采用多層pcb并聯，這樣勢必增加成本，并且占用較大的變壓器磁芯窗口高度，使磁芯體積加大。當繞組流過大電流時，銅箔的發熱會引起銅箔與絕緣基材的分層。目前，市場上可見的平板變壓器，繞組的覆銅厚度在20z(70um)左右，變壓器副邊繞組通過大電流時銅耗明顯增加。為了減小損耗， 副邊繞組使用厚銅箔沖壓成型后與原邊繞組粘結在一起，這樣會增加磁芯窗口高度、增大 pcb板尺寸、增加引出腳面積，銅薄厚度可能大于穿透厚度，集膚效應引起的銅耗會增大。
發明內容
本發明提供一種高頻平板變壓器，以解決背景技術中傳統繞線式變壓器和現有平板電壓器存在的技術問題。本發明的技術方案如下高頻平板變壓器，包括兩個E形平板磁芯和安裝于這兩個E形平板磁芯扣壓形成的閉合磁芯上的一個多層PCB繞組，每一層PCB繞組均由覆銅層、絕緣介質層和引線針構成；所述多層PCB繞組包括多層并聯的原邊繞組和多層并聯的副邊繞組，原邊繞組與副邊繞組相間排布；該高頻平板變壓器的磁芯規格根據以下計算式(1)選定AeAb =——^^—— (ι)
e b 0.0005xABxfs其中，AeAb-磁芯有效截面和窗口截面的乘積(cm4)；Ptl-輸出功率(W);Dcma-電流密度(圓密爾/每安培)；fs_ 工作頻率(Hz)；Δ B-磁通密度(GS);
原邊繞組的間距和線寬、副邊繞組的間距和線寬分別根據以下計算式(2a)、(2b) 匹配設置Wp= w v^(2a)
(2b)其中，Wp-原邊繞組導線寬度(mm)；Ws-副邊繞組導線寬度(mm)；bw_磁芯窗口寬度(讓)；Np-原邊匝數；Ns-副邊匝數；S-繞組間距。上述E形平板磁芯可以采用EE18型，材料為3F3 ；所述絕緣介質層材料為FR4。上述原邊繞組與副邊繞組相間排布，最好是每層原邊繞組與每層副邊繞組均相間排布。上述多層PCB繞組還可以包括用于提供反饋電源的反饋繞組，該反饋繞組位于多層PCB繞組的最底層，與原邊繞組或副邊繞組相隔。本發明的高頻平板變壓器與傳統的繞線式變壓器相比較，實現了 DC/DC電源模塊小型化的目標，提高了功率密度和參數的一致性；較之于普通的現有的平板變壓器設計，本發明的高頻平板變壓器體積小、功率密度大、損耗小。綜合比較現有的產品，具體有以下優占.(1)小型化。能量密度高，因而體積大為縮小，適用于表面貼裝方式(SMT)組裝。 (2)低損耗。繞組由薄銅層構成，從而降低了集膚效應的損耗。利用多層疊層技術，增加銅層厚度，減小大電流引起的銅耗。(3)高功率密度。由于平面變壓器結構上的優勢，提高了其電氣特性，使其功率密度比傳統變壓器的大3倍。(4)低漏感。由于采用交錯層疊結構， 漏感小于0.5μΗ。因此，電磁干擾(EMI)輻射低，基本不受外界電磁干擾的影響。(5)絕緣性好。平板變壓器由導電電路與絕緣介質互相重疊構成，從而保證了繞組之間高達2kV的絕緣強度。
圖1為本發明的原理圖。圖2為本發明的平板變壓器繞組結構示意圖。圖3為本發明的平板變壓器結構工藝圖。
具體實施例方式如圖2所示的本發明平板變壓器繞組結構示意圖，其中P代表原邊繞組、S代表副邊繞組、F代表輔助電源繞組(反饋繞組)、FR4為絕緣介質層。由于每匝繞組需要電氣隔離，所以設置了 P繞組間距、S繞組間距和F輔助電源繞組間距(如圖中箭頭所示)。繞組采用交錯繞組技術，原邊和副邊交錯布局，其目的是為了減小交流分布參數。
圖3給出了平板變壓器結構エ藝示意圖，其中平板變壓器由10層PCB、引出針組 成，厚度3mm。兩個平板E形鐵氧體磁芯(1/2 分別裝配(扣壓)在平板繞組的兩面，然 后用兩個固定夾固定。第一層PCB布局了輔助電源繞組引出線、第二層開始布局原邊繞組 (P)、第三層布局副邊繞組(S)、第四層布局原邊繞組(P)、第五層布局副邊繞組(S)、其它層 按照PSPS繞組結構以此類推，最后ー層布局輔助電源繞組。設給定的產品性能指標要求如下輸入電壓48v;輸入功率IOOw ；效率97% 98%;開關頻率3OOKHz ；飽和磁密度小于2500GS。為了提高功率密度，按照公式(1)計算磁芯截面和窗ロ截面的乘積為0. 15cm4，故 選擇E-E18/4/10磁芯規格，該規格的磁芯截面和窗ロ截面的乘積為0. 22cm4，大于計算值
0.15cm4，滿足設計要求。根據E-E18/4/10磁芯窗ロ面積，按照公式Qa)、Qb)分別計算原 邊繞組間距和線寬、副邊繞組間距和線寬。從性能指標要求可推出變壓器總損耗為3. Iw 2. 04w,包括磁芯損耗和銅耗。 為了達到最佳的性能，本發明將損耗平均分配給磁芯鐵損和繞組銅損。這樣，磁芯損耗為
1. 55w，原邊和副邊銅耗之和1. 55w。將磁通密度2200GS、開關頻率300KHz、EE18磁芯的幾何尺寸帶入公式(3)，計算 的磁芯損耗1. 03wo將已知的原、副邊繞組電流有效值4. 42AU5. 5A以及繞組電阻、 4mQ帶入公式(4)計算出繞組銅耗1.4w。計算的平板變壓器總損耗為2. 46w，在要求范圍 內。
權利要求
1.高頻平板變壓器，其特征在于包括兩個E形平板磁芯和安裝于這兩個E形平板磁芯扣壓形成的閉合磁芯上的一個多層PCB繞組，每一層PCB繞組均由覆銅層、絕緣介質層和引線針構成；所述多層PCB繞組包括多層并聯的原邊繞組和多層并聯的副邊繞組，原邊繞組與副邊繞組相間排布；該高頻平板變壓器的磁芯規格根據以下計算式(1)選定AeAb =———— (1) e b 0.0005XABxfs其中，AeAb-磁芯有效截面和窗口截面的乘積(cm4)；Per輸出功率(W)；Dcma-電流密度(圓密爾/每安培)；fs-工作頻率(Hz)；Δ B-磁通密度(GS)；原邊繞組的間距和線寬、副邊繞組的間距和線寬分別根據以下計算式(2a)、(2b)匹配設置Wp= w v^(2a)K = HDwNs其中，Wp-原邊繞組導線寬度(mm)；Ws-副邊繞組導線寬度(mm)；bw_磁芯窗口寬度(mm)；Np-原邊匝數；Ns-副邊匝數；S"繞組間距。
2.根據權利要求1所述的高頻平板變壓器，其特征在于所述E形平板磁芯為EE18型， 材料為3F3 ；所述絕緣介質層材料為FR4。
3.根據權利要求1所述的高頻平板變壓器，其特征在于所述原邊繞組與副邊繞組相間排布，是每層原邊繞組與每層副邊繞組均相間排布。
4.根據權利要求1所述的高頻平板變壓器，其特征在于所述多層PCB繞組還包括用于提供反饋電源的反饋繞組，該反饋繞組位于多層PCB繞組的最底層，與原邊繞組或副邊繞組相隔。
全文摘要
本發明提供一種高頻平板變壓器，以解決背景技術中傳統繞線式變壓器和現有平板電壓器存在的技術問題。該高頻平板變壓器包括兩個E形平板磁芯和安裝于這兩個E形平板磁芯扣壓形成的閉合磁芯上的一個多層PCB繞組，每一層PCB繞組均由覆銅層、絕緣介質層和引線針構成；所述多層PCB繞組包括多層并聯的原邊繞組和多層并聯的副邊繞組，原邊繞組與副邊繞組相間排布。本發明的高頻平板變壓器與傳統的繞線式變壓器相比較，實現了DC/DC電源模塊小型化的目標，提高了功率密度和參數的一致性；較之于普通的現有的平板變壓器設計，本發明的高頻平板變壓器體積小、功率密度大、損耗小。
文檔編號H01F30/06GK102446620SQ20111039065
公開日2012年5月9日 申請日期2011年11月30日 優先權日2011年11月30日
發明者孟穎悟, 董暉, 韓敏 申請人:中國航空工業集團公司第六三一研究所