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PCB板平面变压器设计与仿真发布时间:2015-01-07 浏览次数:1837 |
1引言
当前，电力电子设备不断朝着更小体积、更高功率密度和更高效率发展，变压器作为电力电子设备中的关键元件之一，其体积变得更小、重量变得更轻、性能也在很大程度上得到了提升。特别是PCB板平面变压器与传统线绕变压器相比，无论在成本、体积、重量、性能等方面都更胜出一筹，且发展十分迅速。它已在通讯、计算机、汽车电子、数码相机、数字电视等得到了广泛的应用；也将在国防、航空、航天等对重量、体积和性能要求较高的领域拓展出一个崭新的局面。
2分析与设计
2.1技术指标
本文是为某预研课题设计的PCB板平面变压器，其基本技术要求是：
a.输入电压 300V
b.输出电压 48V
c.输出功率 1kW
d.开关频率 100KHz
e.最大工作比 0.5
f.变压器的高度为20mm。
2.2选择磁心
为了降低变压器的高度，我们选择了铁氧体的平面磁心(PLANAR CORE)。它与常规EE型磁心相比，其磁心高度低了很多，磁心的表面比（CORE ASPECT RATIO）也低了很多。是制作平面变压器的最佳选择（如图1）。
如果选择常规EE型磁心，即使采用横卧式安装，其高度超过60mm；如果选择平面磁心，其高度为20mm。正因为平面磁心的高度和表面比都小了很多，所以它的磁路长度小了很多，而表面积增加了许多。这两个参数一小，一大，对提高变压器的功率密度和效率极为有利，磁路长度的减小，增大了励磁电感，减小了空载损耗，减小了漏感，提高了效率；表面积的增加，增加了散热面积，减小了热阻，提高了功率密度。
2.3确定最佳磁感应强度B和最佳电流密度J
在设计变压器时，如何确定最佳磁感应强度B和最佳电流密度J是设计变压器的关键。对设计平面变压器尤其重要，因为对平面变压器来说，不能有设计余量。如果有设计余量，那么它的体积、重量就无法减小。为了设计计算方便快捷，我们建立了最佳磁感应强度和最佳电流密度的设计软件程序。该套设计程序的界面非常简洁，一目了然，很容易操作。（操作界面见图2）
从上面的设计结果来看，我们可以看到：最佳磁感应强度B为0.1435T，电流密度J为10A/mm2。其中电流密度比常规取值大很多，那是由于热阻Rth的减小，使得B和J的取值可以提高一些，特别是J的提高很大。另一方面，由于传统变压器用圆型导线，当电流流过时，趋肤效应使电荷远离导线中部而分散在边缘，使得圆柱导线中的电流沿导线表面分布，因而铜导线利用率不高。而在平面变压器中，用印刷线，电流也会远离中心趋于边缘流动，但电流仍然流经全部导体，因而可得到很大的电流密度。
2.4设计匝数
计算变压器匝数是我们设计变压器的重要目的之一。其理论算法有很多，也很成熟了。我们根据这些理论算法，归纳和总结了一套比较优化的、适应范围广的计算机辅助设计程序，使我们设计变压器的工作变得轻松自如，大幅度地减轻设计人员工作量，极大地提高了设计变压器的工作效率。先将技术指标输入到相应的“输入参数”中，其次将上述确定好的磁感应强度、电流密度输入到相应的位置，再点击“设计”即可（如图3）。
从上面可以看出：初、次级匝数分别为18和3，初、次级导线的截面积分别为0.4mm2和2.5mm2。如果我们采用圆导线的话，由于集肤效应的影响，其线径应小于0.38mm。当然，我现在采用PCB板来做线圈，就不必考虑这种影响。因为，印刷线的厚度通常为0.035mm和0.07mm。
2.5 PCB板设计
PCB板的设计是平面变压器设计的难点和重点。一方面，绝大部分变压器设计师对PCB板的设计不太熟悉，对PCB板的电气和绝缘性能了解不够；另一方面，用PCB板制造的线圈，其形成的分布参数与传统线绕变压器差别很大，对不同的电路影响很大，需要变压器设计师和电路设计师大力协作，将平面变压器应用在最佳状态。正由于上述原因使大功率平变压器应用没有得到更广泛应用，当然还有生产成本和生产方式的问题。为了适应批生产和降低成本，我们采用常用的12层覆铜箔环氧玻璃布层压板（FR-4），它是金属化孔印刷板常用的材料，具有较好的冲剪和钻孔性能，也具有很好的电气绝缘性能。通过通孔、盲孔、埋孔将各层串联或并联形成线圈。
图4是用PCB板形成的初级线圈，在12层的印制板中，每层中做三圈印制线，互相串联起来， 1-2和11-12层的中间连接孔为盲孔，其余3-4、5-6、7-8、9-10层的中间连接孔为埋孔。然后，每两层的并联连接以及几块印制之间的连接为光孔。当然用同样的方法可以形成次级线圈。初级线圈、次级线圈以及磁心之间的绝缘用绝缘膜或杜邦绝缘纸。最终制造的平面变压器(如图5)。其外形尺寸为80mm×60mm×20mm。
3仿真
目前，各种仿真软件有很多，我们采用Saber软件进行仿真。Saber软件对磁性元件的描述可以很详尽，对建立不同的变压器模型十分有利，提高了仿真结果的真实性。
3.1磁滞回线
给磁心元件建模，先应建立磁心磁滞回线。特别对于用新磁心材料制造的变压器来说尤其重要，因为磁心磁滞回线是设计变压器的基石。如果变压器设计师对磁心磁滞回线了解的非常清楚，设计变压器时就会做到胸有成竹、有的放矢了。
从图6、7、8可以看出，我们选用的磁心性能：μi=2076，μmax=12768.9，Bmax=4500Gs，HC=15A/m，Br=2227Gs，而且可以看出在某一频率时，磁心损耗与磁感应强度的关系。这些参数是我们设计变压器时不可缺少的数据。通过这个仿真可以让设计师明白该磁心在工作时的状态（或工作点）。
3.2建立变压器模型
首先通过Saber的磁路结构法构造出平面变压器的磁路模型（如图9），并将上述的磁心性能输入到磁路模型中。其次，建立起初级、次级线圈的模型，初级由两块印制板并联，次级由三块印制板并联，同外围电路连接如下图。由于这里主要仿真平面变压器，所以其外围器件均为理想器件。比如：电源就用理想的方波源，电压为±300V，频率为100KHz，
脉宽为5μs，（如图10）。在负载上得到的波形（如图11）。
采用Saber软件通过磁路结构法构造出平面变压器的模型且进行仿真，具有很高的实际意义。它不仅让我们在生产之前就能判别出设计是否合理，而且通过仿真让我们明白设计的缺陷在哪里，有助于我们改进和优化设计。
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