1. 目的及意义、国内外研究现状分析

1.1 目的及意义

平面变压器是基于平面磁芯开发成功，研制出的一种新型、微型变压器，因其具有体积小、高度低的结构特点，诸如良好的散热性能，制作上良好的重复性和准确性，低漏感以及较小的交流电阻等独特的优点，在高频率、高功率密度的开关电源中得到了广泛的运用。绕组损耗、磁芯损耗、漏感以及杂散电容等是平面变压器的几个关键参数，其中，漏感对电源变换器的开关尖峰、软开关电路的谐振性能、电磁干扰等有直接影响，损耗尤其是绕组损耗是限制变压器甚至整个电源效率、温升及可靠性的重要因素。漏感和绕组损耗是中大功率电源变压器的核心。对平面变压器这几个损耗参数参数的设计和优化，已成为很多科研机构研究的重要课题。因此，本研究仍具有十分重要的意义。

1.2 研究现状分析

平面变压器技术则在电源变压器的许多方面实现了重要的突破。自从美国IBM 公司在20世纪80年代初提出平面变压器技术，现在该技术已广泛使用于便携式电子设备高密度电源、卡式UPS电源等。相同功率下，平面变压器的体积仅为传统变压器的20%。传统变压器为了减小漏磁，一般设计成瘦高型，而平面变压器的结构呈宽扁形，散热面积大；其平面绕组结构容易实现交错叠放，大大降低漏感。据报道，现已有漏感小于0.2%的平面变压器产品。

平面变压器根据设计制作工艺的不同，可分为印刷电路(PCB)型，厚膜型、薄膜型、亚微米型 4 种。

PCB型变压器：印刷电路 PCB(printed circuit board)型变压器可省去绕组骨架，能增大散热面积，能减小在高频工作时由集肤效应和邻近效应所引起的涡流损耗，也能增大电流密度，其电流密度最高可达 20A/mm，功率大，工艺简单。但用 PCB，窗口利用率低，仅为0.25~0.3，传统变压器的窗口利用率为 0.4，其体积也较大。PCB 型变压器其功率可高达 20kW ，频率可达兆赫数量级。采用 pulse 的平面技术，多层 PCB 夹在磁芯之间，薄型高效铁氧体平面变压器，其底部面积小，高度只有7.4mm，工作频率为 150~750kHz，工作温度为-400~1300。

折叠厚膜变压器：厚膜变压器是为了克服薄膜变压器中导体电阻大的缺陷而提出的。以氧化铝作基体，采用厚膜工艺，在其上、下表面各印制了初级和次级绕组，用铁氧体制作的平面变压器在 2MHz，输出功率为 75W 时，效率达 85%。厚膜工艺制造出的平面变压器效率一般较低，因此寻求更进一步的工艺技术以完善平面变压器制造的厚膜工艺是实现平面变压器高频集成化的关键。

折叠薄膜型变压器：薄膜型变压器是一种用磁性薄膜研制的叠层微型变压器，采用薄膜后高度低于 1mm，工作频率超过 1MHz，其体积小，易于集成，但只适用于小功率情况。它们绝大多数采用金属磁性材料，如坡莫合金、铁硅铝和非晶合金。主要是因为它们有高 BS 和高磁导率。Tsuijimotl 等人用带式(铜厚 35μm，长 34mm，宽 3mm)加以绝缘膜(厚 100μm)，非晶 CoNbZr 膜(1.8μm)构成一种能在高频下输出电压可控的薄膜变压器--针孔型变压器，还制成了厚度为 210μm的片式变压器。它是采用两层 10μm 厚的 CoZr 非晶薄膜做成的，用于 5V、0.3A、1MHz 的开关电源，77.5% 铁氧体材料(以 MnZn系为主)也可以制成薄膜型变压器，但用常规的方法很难制出合适的微型磁膜，故需开发新的成膜技术。目前国外主要采用 PVD、CVD 等沉积技术配合化学蚀刻，激光烧蚀法、光照射低温镀膜法等成膜技术。Yamaguchi K 等设计制作的微型变压器，其面积只有2.4mm×3.1mm，在 10MHz 时效率可达 67%。

亚微米型变压器：亚微米变压器是利用化学法合成，采用低温(900℃)烧结的 NiCuZn 铁氧体为介质材料，以 Ag 为内电极，用流延和丝网印刷技术的方法制备而成的，其体积小、质量轻、易于集成、工艺简单。两种片式亚微米型变压器，外形尺寸分别为 2.1cm×2.1cm×1mm和 8mm×8mm×1mm，设计变压比分别为 6 和 4，工作频率为1~10MHz。 亚微米型平面变压器结构新颖，改变了传统变压器的结构特征，将变压器原边和副边绕组采用丝网印刷技术烧制在铁氧体材料中，外型类似表贴的集成电路器件。对亚微米型平面变压器的电气性能测试表明:①空载情况下，变压比先随着输入电压的增加而增大，而后随着输入电压的增加而减小，范围内达到最大值。另外，变压比随着输入信号频率的增加而增大。②在一定输入频率和电压情况下，输出功率随负载的增大先升高再降低，存在一个输出功率最大的负载电阻值。③在一定输入电压和输出负载的情况下，随着输入电压频率的增加，变压器的变压比逐渐增大，当输入电压频率高于某一临界值后，变压比基本保持不变。波形畸变程度随着输入电压频率的增加而减小。④在一个固定输入频率下，存在一个饱和负载电阻值，当负载电阻值小于饱和负载电阻值时，则变压器的输出电压随负载增大而增大，但当负载电阻值大于饱和负载电阻值时，输出电压的变化很小或基本保持不变。随着频率的升高饱和负载电阻值逐渐增大。在负载电阻值等于饱和负载电阻值时，变压器的变压比基本不随输入电压的变化而变化，但随着输入电压的升高，输入输出电压的波形畸变程度增强。

近年来，越来越多的学者将有限元计算软件ASNSYS MAXWELL应用到中高频小功率变换器领域，通过该软件计算变压器不同温度下的磁芯性能和不同磁芯对应的漏感及损耗，从而对变压器进行优化处理。还可以进一步对变换器的整体进行仿真分析，由此得到在该磁性元件对应的变换器的整体性能，为变换器的整体设计提供充足的理论基础。另外，现阶段电磁场软件的使用也为磁集成提供了方便的设计方式，磁集成是减小变换器体积的有效手段之一，通过合理的参数设计，磁集成可以充分减小寄生参数对磁性元件的影响，同样可以使变换器效率提升。

但是由于平面变压器是很新的技术产品，工艺难度较大，目前世界上只有少数几个厂家能够生产。如日本的TDK公司、日立铁氧体公司，美国的信号变压器公司、平板变压器技术公司、多源技术公司，欧洲的西门子和飞利浦等。然而，世界上最著名的平面变压器生产商却是总部设在以色列的一家名叫Payton的公司。1998年，Payton的平面变压器正式面市。目前Payton全系列产品从5W到20KW，频率可达MHz数量级，效率均可达到97%～99%。

国内也己有厂家在研制开发,但实力较弱,与国际先进水平相比存在较大差距。因此扩大研究队伍,增加资金投入,加强平面变压器的研究,提高研究与开发深度是非常必要的。平面变压器在减小漏感、交流阻抗等方面有着非常大的优点，并且因为体积的小巧使之成为一种非常好的磁性元件。给出了一种标准的设计平面变压器的方法，使得设计平面变压器变得更加容易，成本也将大大降低。可以预见，平面变压器将有着相当好的应用前景。