浅谈平面变压器的研发方法和配套措施

李东波

（天津光电惠高电子有限公司，天津 300000）

0 引言

在军事、航空航天、医疗设备以及其它高端科技领域，由于工作及应用环境的特殊性，在选择零部件及元器件时，对产品的可靠性、工作效率、体积等方面，都有着极其严苛的要求，对变压器的要求，更是遵循着同样的原则[1]。传统绕线式变压器工作频率低、发热量高、体积大，已经无法满足这些实际的需求，市场需求逐渐向体积小、效率高的设计方向发展。减小产品体积的普遍办法，是提高产品工作频率。但随着设计频率增高，变压器受到各种寄生参数的影响，工作能力显著下降，因此传统的绕线式高频变压器不能满足要求。

1 研发的意义

经研究发现，一种平面加工工艺，能使变压器性能保持高度的一致性和精密性，而且功率密度更大。试验及应用结果都表明：平面变压器的漏感、寄生电容、体积、功率密度、效率、散热及耐温等性能，均高于传统绕线式变压器。其中，采用多层PCB板制作的平面变压器在上述方面表现更好。此类产品在这些方面的性能表现，均优于第一代以硅钢片为代表的铁芯变压器和第二代以铁氧体为代表的绕线式变压器[2]。因此，平面变压器作为第三代变压器，便应运而生。由于具有技术的先进性，需要较高的设计能力，因而目前在国内外，产品的品种及生产厂商都还为数不多。但产品优良的特性，终将激发广阔的市场需求，此类产品在市场应用方面，将会像第二代变压器逐渐替换第一代变压器那样，逐渐被市场所认知和接受。另外，由于该类产品的制作工艺特殊，使得生产效率、机械化程度也可以极大地提高，这也符合我国工业领域中，人工成本有待减少的诉求。

2 研发目的与方法

2.1 针对平面变压器的损耗进行设计

平面变压器是一种新型的平面化磁性元件，由于其自身良好的热物理性质、较为相似的物理参数、功率密度较大且线圈结构形式多样灵活，被广泛应用于高频大电流高功率密度的开关电源之中。由于PCB线圈绕线形式能够有效增大线圈的导电面积从而提高线圈的载流能力，因此被选做用于高频大电流的平面变压器。与此同时，高频电流会导致并联的PCB线圈产生复杂的涡流效应，进而引发PCB线圈层间电流不均。分配不均的电流使得并联PCB线圈损耗模型与单根导体和里兹线线圈存在较大不同，增加了影响线圈的损耗因素，也正如此，多层并联PCB线圈是平面变压器的关键技术及重要的技术难点[3]。技术人员为了更加方便、快捷地进行平面变压器的损耗计算，通常需要借助专用的分析软件，进而定量分析平面变压器及多层PCB线圈的损耗设计，以此来提高平面变压器性能以及其市场竞争力。

Visual Basic（VB）语言作为一种可视化优秀的计算机编程语言，逻辑语句简单、宏模块功能强大，由于其是面向对象以事件作为驱动方式且具有强大的数据库访问以及管理功能，因此设计人员通常将平面变压器磁芯、线圈损耗模型以及具体设计思路，利用VB编程开发成适合自己产品计算风格的平面变压器分析设计软件。借助该软件可以方便地对没有气隙的平面变压器磁芯以及PCB线圈进行设计，其中PCB线圈设计模块功能可以根据产品特性进行调整，适用于任意线圈个数、任意连接方式的PCB线圈，包括串联、并联以及串并联等连接方式。

2.2 针对平面变压器绕组进行设计与优化

众所周知，绕组结构的不同是平面变压器与传统变压器最为关键的区别，传统变压器由于自身结构形式较为简单，其设计方法也相对容易，也正如此，传统变压器设计方法便不适用于平面变压器的研发与设计[4]。关于传统变压器与平面变压器中绕组交流电阻、漏感及分布电容的计算机仿真更相差甚远。鉴于电磁场问题的复杂性，想要精确仿真求解电磁场的各个场量为平面变压器的绕组进行设计指导是不太现实的。也正如此，国外专家学者在进行了大量研究分析后，提出了不少简化的仿真设计方法。其中最为基础的就是将电磁场问题简化成一维线性问题，然后通过求解麦克斯韦(maxwell)微分方程得到一个完整的解。然而，采用一维(1D)方法虽然可以快速、方便的计算出高频变压器的绕组损耗，但由于其过于理想化模型边界条件，忽略了诸多其他因素的影响，导致其结果往往与实际结果存在较大误差。除此之外，由于平面变压器绕线窗的利用率偏低，扁平导体内部感应磁场所引起的实际高频损耗远大于简化模型(1D)预测的结果，对于多层绕组结构，利用1D分析的结果只能定性分析某种因素对绕组结果的影响趋势，无法用于预测高频损耗值。因此，某些复杂工况的高频平面变压器仿真设计则需要采用2D方法甚至3D方法进行平面变压器高频损耗值的预测。设计人员通常借助商用有限元分析软件（ANSYS MAXWELL）建立平面变压器的2D或者3D模型，并通过施加合理的边界条件来获取较为精准的结果。有限元理论的主要形式是将求解域划分为众多相互连接的子域，对每个单元假定一个合适的近似解，从而推导与求解整个求解域的满足条件，最终获得模型的解。当下，主流的有限元商业仿真软件均可建立包含原边、副边各绕组层之间绝缘层的模型，因此可以较为方便的计算出绝缘层对平面变压器高频损耗的影响。关于采用2D与3D模型进行仿真之间的对比，2D仿真时建立模型分析得到的平面变压器漏感值误差要大于采用3D模型仿真的结果，显然，3D有限元仿真工具可以精确仿真求解出包含端部效应影响的漏感值[5]。

2.3 针对平面变压器的发热进行设计与优化

当下，平面变压器多用于频率较高功率较小或者电压较低、电流较大的场合。在国内市场上，功率小于150kW的平面变压器应用最为广泛，这主要是因为低压小功率的平面变压器设计相对简单，通用性能也相对较好。当应用场合需要采用高压大功率平面变压器时，变压器绕组层数增多且绕组方法也相对复杂，这种结构上的复杂变化也带来了复杂的磁场分布，不同的参数要求需要对应不同的平面变压器绕结构，从而大大降低了大功率平面变压器的通用性。由于电压增高，绕组之间的绝缘距离随之增大，增大的漏感会进一步增大绕组的损耗，这便要求磁芯窗口面积增大以保证磁芯体积增大。也正如此，使用工况的复杂使得大功率平面变压器无法大批量规模化生产，在高压大功率场合通常通过拓扑电路进行单独设计的方法以此来进行平面变压器的设计。基于上述情况设计出来的平面变压器严重缺乏通用性，只能应用于专有的特殊场合，针对每种工况需要重新进行平面变压器的设计，这便大大增加了大功率平面变压器的设计成本。因此，若将平面变压器的设计场景应用于高压大功率领域会面临几个挑战：首先，较小的窗口面积与较大绝缘距离或者较多绕组面数之间无法匹配；其次，高频下复杂电磁环境所引起的绕组涡流损耗与变压器效率以及变压器热稳定性之间无法匹配；最后，通用性与设计成本之间无法匹配。为了解决上述问题，设计人员通常采用有热仿真计算方法进行设计，在对平面变压器和平面电感器的寄生参数进行详细分析的基础上建立热仿真模型，此后通过施加不同边界条件，以此来模拟不同情况下平面变压器的热稳定性，从而联系分析出平面变压器绕组的集肤效应以及临近效应。通常需要借助热仿真软件ABAQUS对平面变压器模型进行热仿真，计算其温升以及热阻以此来确定平面变压器设计的合理性，此后通过仿真对比实现平面变压器的优化。

3 平板变压器的典型研发条件和工作基础

3.1 硬件方面

（1）研发实验室方面：需要两间研发实验室和一个实验加工车间。

（2）测试设备方面：示波器、耐压仪、电参数测量仪、功率分析仪、微欧计等。

（3）加工设备方面：大功率烘箱、气动点胶机等。

（4）产品寿命及可靠性试验方面：温湿度循环试验箱、温度冲击试验箱等。

（5）测试产品参数方面， Keysight 4980A专业电感测试仪、Voltech AT3600变压器系统测试设备。

（6）专业的PCBA加工工厂，能为平面变压器的PCB组装、焊接、清洗等工艺环节提供设备及相关技术支持。

（7）研发人员方面：本科以上学历，具有多年开发工作经验的技术专家。

3.2 软件和安全标准方面

（1）SOL软件公司开发的MAG13.0变压器设计仿真软件。

（2）UL绝缘系统为产品设计提供专业的选材方案，设计产品要符合UL绝缘系统的使用要求，要按照产品的应用领域的安全标准的要求，进行绝缘结构设计和产品的安全认证。

3.3 其他方面

（1）设计开发管理：使用PDM系统进行开发的项目管理和文档管理；使用ERP系统进行样品的物料、生产、交付、成本管理。

（2）和大学建立合作关系，方便前沿技术文献的查阅、学术交流及获得理论上的支持。

（3）争取国家的支持：该类产品的研发项目在技术领域中的类别：A8340，属于国家重点支持的高新技术领域听的高新技术改造传统产业/先进制造技术/电力电子技术。

4 结语

平面变压器作为第三代变压器，便应运而生。由于具有技术的先进性，需要较高的设计能力，因而目前在国内外，产品的品种及生产厂商都还为数不多。但产品优良的特性，终将激发广阔的市场需求，此类产品在市场应用方面，将会像第二代变压器逐渐替换第一代变压器那样，逐渐被市场所认知和接受。另外，由于该类产品的制作工艺特殊，使得生产效率、机械化程度也可以极大地提高，这也符合我国工业领域中，人工成本有待减少的诉求。