電源轉換器技術進步的關鍵-平板變壓器

隨著高功率密度的需求，電源轉換器的封裝尺寸將越來越小。傳統變壓器體積大和效率低，使得隔離電源轉換器實現小型化的過程受到了限制。現今，平板變壓器的出現漸漸取代了繞線式變壓器，不僅縮減了電源轉換器的體積，還大大提高了其轉換效率。本文闡述了常見的變壓器損耗，以及平板變壓器的結構和設計時的注意事項，並分析與繞線式變壓器在轉換效率、體積、系統可靠性等方面的比較。

 

緒論

隔離式電源轉換器的運作過程是將能量儲存在一次側，再透過電晶體開關截斷輸入迴路，將儲存於變壓器鐵芯中的能量傳送至二次側，實現電壓轉換。在這過程中，變壓器決定電壓轉換大部分的效率，以及隔離型轉換器大部分的面積，如下圖所示。

透過提高開關頻率可以縮小變壓器的體積，但是提高頻率卻會使變壓器產生更高的鐵損(包含磁滯損及渦流損)及銅損(集膚效應)，導致其轉換效率下降。在高頻應用中，平板變壓器能改善這些損耗，達到高達90%以上的轉換效率，以下介紹高頻應用中變壓器常見的損耗。

 

變壓器的銅損與鐵損

變壓器內部的磁芯是由磁性材料製作而成，而鐵損是由磁芯產生的。電源轉換器在高頻運作時，造成磁性材料反覆磁化，使其飽和而導致磁滯現象。銅損是指變壓器繞組導線的直流電阻損失。在高頻應用下，線圈會產生集膚效應，造成電阻上升。

1. 鐵芯的磁滯曲線

磁滯曲線是指磁感應強度(B)與磁場強度(H)之間的關係的曲線。兩者關係是非線性的，當磁場強度增加時，磁感應強度會沿著曲線上升達到Bs點，此時即使磁場強度繼續增加，磁感應強度趨向緩和增加，此稱作磁飽和。變壓器飽和會造成電感減少，造成變壓器的線圈流過大電流而破壞開關元件。因此設計時需要避免變壓器的飽和。

當磁場強度降低時，該點將以另一條曲線返回到磁場強度等於0的Br點；若磁場強度持續下降，該點將會到達磁感應強度等於0的Hc點，磁滯曲線如下圖。

當電流通過繞組線圈時，線圈會產生磁場，此時磁芯的磁場發生改變，其內部的磁疇在磁場磁化作用下緩慢的轉動、膨脹及收縮，這些現象會使材料彼此摩擦產生熱能，稱為磁滯損耗(Ph)。磁滯圈內的曲線面積代表磁滯損耗，其面積越大，磁滯損則越大。以下為磁滯損的公式:

其中:

其中 K_h  : 磁滯常數，B^x_m : 磁通密度 ( x = 鐵芯材料常數)，f : 操作頻率。

由(1)式得知，假設磁通密度為定值，此時磁滯損與頻率成正比，頻率越高，則磁滯損失越高。所以在電源轉換器高頻工作下，導致電源轉換器的效率降低，並增加發熱量。相比之下，平面變壓器的磁芯是採用鐵氧體軟磁性材料製成的，可以有效減小高頻造成的磁滯損。

2. 繞組線圈的集膚效應

變壓器繞組是由漆包線繞製而成，當導線有交變電磁場時，使內部電流集中在其表面，造成導線表面電流密度較大，但是導線中心的電流密度較小的現象，如下圖。

導線截面積的利用率下降，導致電阻與損耗功率上升，此現象稱為集膚效應。集膚效應會因電源的工作頻率增加而使導線電流更集中於導體表面，電阻與頻率呈比例上升。

在高功率應用下，傳統變壓器繞組須使用較粗的線圈繞製，可能產生集膚效應導致其損耗增加、轉換效率下降。相比之下，平板變壓器的繞組是印刷電路板(PCB)上的銅箔，其可以透過提高銅箔厚度及寬度來滿足大電流需求，因線圈匝數少，可以直接忽略集膚效應的問題。

 

什麼是平板變壓器?

平板變壓器是利用多層印刷電路板（PCB）疊製而成的變壓器，與傳統的變壓器最大的差異在於鐵芯及線圈繞組。平板變壓器具有高效能、高頻操作及小型化的優點，適合應用於高功率的電源轉換器中。

1. 繞組的設計方式

平板變壓器的繞組是在PCB上採用螺旋形佈線來取代傳統的線圈繞組，中間挖空部分用來疊加磁芯材料，並透過絕緣膠帶固定。這種結構使變壓器非常薄，不只能減少體積，也能實現更高的功率密度和效率，同時具備良好的熱管理性能，下圖展示了平板變壓器的結構示意圖。

繞線使用PCB佈線的方式能避免傳統變壓器在繞線過程中，可能出現的短路、斷路及堆疊過程中線移位的風險，同時使用絕緣簿膜或絕緣墊片來做層間絕緣，以降低導線絕緣層受損及隔離電壓缺陷的機率。由於平板變壓器的平面結構能使繞組緊密的耦合，因此改善了其高頻寄生參數，使直流銅阻及漏電感減小。

2. 磁芯的選擇

為了避免變壓器飽和，平面變壓器一般採用鐵氧體軟磁性材料製成的EE型、RM型及ER型磁芯，其目的是使用較少的匝數得到較大的電感量。如下圖所示。

磁芯一旦飽和，變壓器的有效電感量將會下降，使得變壓器的電壓轉換效率降低。變壓器電感(L)的大小與線圈匝數、導磁材料和磁芯截面積有關，以下為電感計算公式:

其中  : 變壓器最大電流，N : 線圈匝數，B : 飽和磁通，  : 磁芯截面積。

由(2)式得知，平板變壓器的匝數較少，需要選擇截面積較大的磁芯提升電感量，以避免飽和。另外，平面的磁芯結構增大平板變壓器的散熱面積，有利於其散熱，有效地解決傳統變壓器的問題。

3. 設計時的注意事項

繞組佈局：PCB繞組的銅箔寬度(Wt)及厚度(H)是根據峰值電流決定的，如以下公式 :

其中，I : 峰值電流，K : 修正係數(一般覆銅線在內層時取0.024，在外層時取0.048)，T : 最大溫度(銅的熔點為1060℃)。

繞組間隔會影響寄生電容的大小。因此繞組佈局應考量電路需求，避免緊密的佈線，下圖為平板變壓器繞組佈線的示意圖。

其中  : 磁芯寬度，S : 每匝繞組間隙，N : 每層繞組匝數，而繞組佈線寬度反比於匝數。選擇適當的佈線和間距，以確保有較低的漏電感及寄生電容。

• 絕緣材料：絕緣材料的介電常數越高，變壓器的寄生電容越高。因此，選擇絕緣材料時必須考慮介電常數值，以選用適當的材料來降低寄生電容。

透過這些設計注意事項，可以確保平板變壓器在實際應用中的高效能和可靠性。

 

變壓器特性比較表

平板變壓器相比繞組變壓器更適合用於電源轉換器，特別是在高頻應用中。以下是兩者在主要方面的比較：

表1. 平板變壓器與繞組變壓器的比較表

	平板變壓器	繞線式變壓器
轉換效率	高	低
漏電感	低	高
寄生電容	高	低
體積	小	大
散熱性能	佳	差
可靠性	佳	差
高頻應用	佳	差

 

結論

平板變壓器在高頻電源轉換器中的應用具有顯著的優勢，通過使用PCB佈線的方式取代傳統的銅線繞組，它有效地減少鐵損和銅損，提高整體的效率和可靠性，並實現更小的尺寸設計。此外，平板變壓器的平面構造優化散熱性能，使電源轉換器的熱量分布更均勻，進一步提升了系統的穩定性。這些優點使得平板變壓器成功取代了繞線式變壓器，成為實現電源轉換器技術進步的關鍵元件。

 

 

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