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平面变压器如何提升高频开关电源的性能

打开一台传统的开关电源，最显眼、体积最大的无源元件通常就是变压器。金属磁芯配上厚重的铜线绕组，让它在电路板上格外“突出”，几乎决定了电源的最小物理尺寸。然而，消费者希望电视要足够轻薄、能够挂在墙上；笔记本电源也要小巧、便携、重量轻。那么，如何才能缩小这块庞大的金属组件呢？

缩小变压器的体积并非易事，我们很快就会看到原因。长期以来，也没有太多动力推动这一改变。基于硅 MOSFET 和 IGBT 的开关电源通常工作在几十千赫兹的范围内，而工作频率直接决定了磁性器件所需的电感量，进而决定了电感和变压器的尺寸。

但这一切正在逐步改变。随着宽禁带（WBG）器件的出现，例如 SiC（碳化硅）和 GaN（氮化镓），开关频率正提升到数百千赫兹乃至更高（见图 1），这也推动了对更小型变压器的需求。

图 1：宽禁带器件如 SiC（左）和 GaN（右）能够在电源转换中实现更高的开关速度，但要发挥其优势，相关无源器件也必须随之改变。

传统变压器是如何构造的？

在优化这些关键元件之前，我们首先需要了解它们的构造方式以及固有的弱点。传统变压器通常由两个紧密耦合的铜绕组和一个金属磁芯组成。交流输入电压施加在初级侧，同频率的信号会在次级侧出现，其电压大小由匝比决定。在理想情况下，次级侧获得的功率应与初级侧输入的功率相同。然而，真正的挑战也正是从这里开始。

在工作过程中，磁性材料内部会产生不必要的涡流，从而导致损耗；同时，磁场的持续变化也会带来一定的磁滞效应。这些因素共同构成磁芯损耗。绕组本身及其电阻则是另一类主要损耗来源，通常称为铜损（见图 2）。这些损耗最终都会转化为热量，需要通过被动或主动散热方式进行处理。

图 2：传统变压器的基本结构示意及其主要损耗来源。

然而，随着工作频率的提升，一个新的挑战随之出现。我们通常认为电流会利用导体的整个截面积进行传输，但在高频条件下，情况已不再如此。

随着频率逐渐升高，电流会被“推挤”到导体表面，更多地集中在外缘流动，这就是我们熟知的“集肤效应”（见图 3）。这一现象会有效降低导体的载流能力，从而使导线的等效电阻显著增加，带来更高的损耗和需要额外散热的热量。

这也是为什么电磁炉等应用会采用表面积更大的导线——即绞合漆包线（litz wire）。它由大量绝缘的细铜丝绞合而成，以提升高频条件下的导电性能。

图 3：随着频率升高，受集肤效应影响，电流会集中在导体表面（红色部分）。

还有另一类损耗来源。在工作过程中，流经绕组的电流会产生磁场，而这些磁场会影响相邻导体中的电流分布，从而使导线的交流电阻进一步增加。这类由邻近导体磁场相互影响而引发的损耗，被称为“近邻效应”。为应对这一问题，一种称为“交错绕制”（interleaving）的结构方法应运而生，即将次级绕组分布在初级绕组之间（见图 4）。

图 4：通过交错绕制变压器绕组，可有效降低近邻效应所导致的交流电阻。

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