高压电源中平面变压器设计与高频寄生参数优化研究
随着高频开关电源技术向更高功率密度、更高效率方向演进，平面变压器因其扁平化结构、优异的热性能、一致性好以及易于自动化生产等优点，在高压电源，尤其是中高功率隔离型DC-DC变换器中得到了广泛应用。然而，将传统线绕变压器平面化，并非简单的形状改变，其设计范式、电磁场分布以及寄生参数特性发生了根本性变化。在高频（数百kHz至数MHz）下，这些寄生参数——主要是漏感和绕组间分布电容——对电源效率、电磁干扰、开关器件应力乃至整机稳定性产生决定性影响。因此，对平面变压器的设计方法及其高频寄生参数的建模与优化进行深入研究，是实现高性能高压电源的核心基础课题。
平面变压器的基本结构由多层印制电路板上的平面绕组和插入其间的扁平磁芯（如E型、EI型或RM型的平面变体）构成。绕组通常以螺旋状或回字形蚀刻在PCB的铜层上，通过过孔实现层间连接。这种结构使得绕组的几何形状、层间关系以及相对于磁芯的位置可以被精确控制，这既是优势也是挑战。设计的第一步是确定磁芯材料和尺寸，这基于功率等级、工作频率和温升要求。平面磁芯通常采用低损耗的铁氧体材料，但其散热路径与线绕变压器不同，热量主要通过磁芯表面散出，因此磁芯与散热器的接触面积和热导界面设计至关重要。
绕组设计是决定性能的关键。在高频下，导体的趋肤效应和邻近效应导致交流电阻急剧增加，远大于直流电阻。为了减小交流电阻，平面绕组通常采用薄而宽的铜箔（厚度接近或小于趋肤深度），并采用多股并联（即多层PCB绕组并联）的方式来增加有效截面积。然而，层与层之间的磁场耦合会引发强烈的邻近效应，导致电流在导体截面上分布不均，进一步增加损耗。优化绕组布局，例如采用交错绕法（将原边和副边绕组分层交错放置），可以部分抵消磁场，减小邻近效应损耗和漏感。但交错绕法会增加原副边绕组之间的耦合电容，这是一个需要权衡的折衷。
寄生参数中，漏感L_k是一个核心参数。它由未完全耦合的磁通产生。在平面变压器中，由于绕组呈平面分布，耦合通常比线绕变压器更紧密，因此漏感相对较小。但过小的漏感在某些拓扑（如LLC谐振变换器）中可能是有益的，可以作为谐振电感的一部分；而在其他拓扑（如双管正激、全桥）中，漏感会在开关管关断时引起电压尖峰，需要吸收电路。漏感的大小和分布可以通过调整原副边绕组的覆盖面积、层间距以及采用“三明治”绕法等手段进行精细调控。精确计算平面变压器的漏感需要基于其三维磁场分布进行有限元分析，因为简单的解析公式往往不够准确。
分布电容，尤其是原副边之间的等效电容C_ps，是另一个关键寄生参数。在高频高压下，这个电容会形成位移电流通路，导致共模EMI问题，增加开关损耗（特别是对于硬开关拓扑），并可能引起电压波形振铃。平面变压器由于绕组层间平行面积大、绝缘距离小，其分布电容往往比同功率的线绕变压器大。优化分布电容的方法包括：增加原副边绕组间的绝缘层厚度（但这会增加磁路长度和漏感）；采用屏蔽层（在初次级之间插入接地的铜层）来截断电场线，但屏蔽层会引入额外损耗并可能影响耦合；采用“分槽”或“分段”绕法，将原边或副边绕组分成电气上并联但物理上分离的部分，以减少层间重叠面积。
此外，绕组层内的匝间电容以及绕组对磁芯的电容也是需要考虑的寄生参数，它们会影响高频下的阻抗特性。这些寄生参数共同构成了变压器的高频等效模型，一个精确的模型应包含多节π型或T型网络。通过矢量网络分析仪可以测量变压器的阻抗频率特性，并提取这些寄生参数。
热设计是平面变压器可靠工作的保障。热量主要来源于磁芯损耗（磁滞损耗和涡流损耗）和绕组损耗（直流与交流电阻损耗）。在高频下，磁芯损耗通常用斯坦梅茨公式的修正版本进行估算，但平面磁芯的损耗系数可能与标准磁环不同，需要参考制造商提供的特定数据。绕组损耗的准确计算必须考虑趋肤效应和邻近效应，可以使用Dowell方程或更精确的场仿真方法。热仿真可以帮助确定热点位置，指导散热设计，如在PCB内部嵌入热过孔将热量传导至外层散热铜箔，或在磁芯上安装散热翅片。
在实际高压电源中，平面变压器还需要满足高压绝缘要求。原副边之间以及绕组对磁芯之间需要承受数千伏乃至更高的直流或工频耐压。这要求PCB材料（如FR4、聚酰亚胺）的绝缘强度足够，且爬电距离和电气间隙符合安全标准。有时需要在层间使用高绝缘等级的预浸材料或增加挡墙设计。
综上所述，高压电源中平面变压器的设计是一个多物理场、多目标优化的复杂过程。它需要在有限的体积内，平衡电气性能（变比、损耗、漏感、分布电容）、热性能（温升）和安规要求（绝缘）。高频寄生参数的优化不是一味地追求最小化，而是要根据电源的拓扑和控制策略，将其调整到对系统整体性能最有利的区间。这需要设计者具备深厚的电磁场理论基础、丰富的工程经验以及先进的仿真与测试手段。一个优化成功的平面变压器，将成为高压电源迈向高效率、高功率密度征程中坚实而精巧的“能量枢纽”。
