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1 引言
為了適應現代電子設備小型、輕薄、便攜等使用的要求，以及現代電子設備組裝工藝如 SMT 的要求，一些傳統型磁性元器件正在被多種輕小型平面磁性元器件替代。使用與實驗表明，平面型結構的磁性元器件有諸多優點，諸如體積小、熱傳導性能優良，在高功率密度下工時具有較小的功率損耗，適合使用 SMT 工藝等。
為了一次性精確設計出性能優良的高頻磁性元器件，需要對其漏感、繞組的分布電容、趨膚效應和鄰近效應等寄生參數進行計算。目前，對其中的疊層變壓器、矩陣變壓器、圓形螺旋線圈薄膜變壓器等磁性元件已經具有了比較成熟的計算方法。本文討論兩種平面多層帶氣隙變壓器的設計，首先，電路模型設計以頻率特性關系為前提，假設磁性材的頻率特性是線性的，沒有磁滯效應，因此，不需要區分輸入電壓的性質。其次，線圈內的磁通分布是必須考慮的，以便于確定如何才能有效地利用磁心所需材料的用量，以及如何使磁通分布均勻。渦流分布方面的知識有助于計算線圈的銅損和磁心材料內的渦流損耗。
本文所討論的器件在設計制造中采用的是 TDK 公司的 MnZn 鐵氧體材料。將它們用于高頻平面磁性元件中，以研究它們的電感值和電壓比與頻率之間的特性關系；同時，文章研究了兩種不同繞組結構的磁通分布和渦流分布狀態，并采用邊界單元法編制了 CAD、CAE 軟件和用其計算了有關數值。
2 平面多層高頻變壓器結構和計算模型
工作頻率接近于 1MHz 的高頻直流變換器需要幾微亨的電感值。應用于高頻率的電感器結構，最常見的是具有開路、閉路或螺旋結構的多層磁路。本文實驗用樣品的初級和次級線圈的匝數相同，Ⅰ型樣品為 3 匝，Ⅱ型樣品為 1 匝。磁心材料為鐵氧體，磁心尺寸為 17.6×17.6×20(mm3)。圖 1 所示螺旋型繞組結構，其磁心結構是基本開路型。為了計算方便，假設它們是一種二維軸對稱的無界結構，如圖 2 所示。在設計計算中，必須考慮鐵氧體材料、絕緣材料和線圈材料的性能與參數，如磁導率、介電常數、電導率等等參數，然后采用邊界單元法（BEM）借助于 PC 機的 CAD/CAE 軟件即可計算出要求的數值。
3 電感值與頻率的特性關系
圖 3 示出了具有螺旋型繞組結構的平面磁性器件的電感值與頻率的特性關系之實驗結果。圖 3 所示特性曲線是采用 HP4285A 精密 LCR 測試儀，在 100kHz~1MHz 的頻率范圍內測得的結果。由于磁心材料的磁導率隨著頻率的增高而降低，所以電感值 L 也隨著頻率的增高而降低。
4 電壓比與頻率的特性關系
以下討論在沒有負載的情況下，輸入和輸出電壓比與頻率的特性關系。圖 4 所示為開路平面磁心結構的電壓比，表明它們具有頻率特性關系。其關系類似于采用閉合磁心結構的薄膜微型變壓器的頻率特性關系的結果。測試也顯示出Ⅰ型變壓器的電壓比相對保持穩定，而Ⅱ型變壓器在 5MHz 處有一個峰值。磁耦合強度在低頻狀況是相當小的，因此，電壓比是不等于繞組匝數比的，即 Nout/Nin≠Vout/Vin。
5 頻率在 1MHz 時，變壓器中的磁通分布
筆者在設計變壓器時，計算了磁心和繞組內的諧波磁場分布，分析顯示出變壓器結構內部尤其在繞組周圍存在大量的邊界成分。圖 5 表示在初級繞組勵磁，次級繞組開路的狀態之下的磁通計算結果。這種結構計算的數值表明，平面開路磁心結構內部的磁通分布與傳統的磁心結構中的磁通分布情況是不相同的，該磁通是由次級繞組中感生的渦流產生的。圖 5(a) 所示為泄漏出鐵氧體磁心的磁通分布，該泄漏的磁場將產生電磁干擾（EMI），它們會給電子設備設計帶來許多問題。圖 5(b) 所示為沒有泄漏磁場的狀態。
6 在頻率為 1MHz 時，變壓器的渦流分布情況
變壓器在高頻工作時，渦流損耗是繞組和磁心共同存在的嚴重問題。實驗表明，在平面型磁心結構中，鄰近效應的影響往往比趨膚效應的影響更為嚴重，圖 6 示出了其數值計算的結果。在設計計算時，勵磁電流加在初級繞組上，次級繞組開路。由圖 6 可以看出，繞組結構對渦流分布的影響是十分敏感的。
7 實驗結果及問題分析
文章敘述了兩種平面型帶氣隙高頻變壓器的頻率特性、磁通分布和渦流分布的實驗和計算結果，初級線圈接 100kHz~1MHz 的正弦電流電源，次級線圈開路。從次級、初級電壓比和繞組匝數比的不相等，可以表明其磁耦合是相當弱的。計算結果證明了平面型開路磁心結構中的磁通分布和渦流分布與傳統型變壓器磁路結構是不同的，用邊界單元法的 CAD/CAE 程序得出了計算結果。
平面型帶氣隙高頻變壓器的未來研究與發展，主要要解決磁路系統的最佳設計問題。這些問題包括：要求磁路有一定的磁耦合系數，較理想的熱傳導材料，具有高的抗EMI 能力以及包括磁滯效應在內的損耗計算等等。
