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平面变压器设计技术99问（上）成都技术支持工程师：郑国全（原创）1、 变压器是什么？答：变压器是电源中的一个最为重要的部件。变压器在电源中主要是起到功率传送、电压变换和绝缘隔离的功能。一般使用在50Hz工频的是铁芯变压器，它体积大又笨重，转换效率低只有约50%。为了提高效率减小体积，工程师发明了开关电源，把变压器的工作频率提高到了20KHz以上，是原来50Hz工频的400倍，体积当然也就小了很多，能量的转换效率也提高到了80%以上。为了继续提高电源的工作效率，减小它的体积，进一步增大开关电源的功率密度，人们还在尝试着不断的提高变压器的工作频率。但是人们发现，当变压器的工作频率跨过100KHz以后，现有开关电源中使用的高频变压器就带来越来越多的问题无法胜任工作了， 必须寻找新材料新结构的变压器来担当重任。2、 变压器是怎么工作及它的主要参数？答：图一是变压器的工作示意图： N1我们称之为初级，N2我们称之为次级。1）变压比：变压器有两组线圈圈数分别是N1和N2。在初级线圈上加上一个交流电压V1，在次级线圈的两端上就会产生感应电动势。当N2N1时，其感应电动势比初级的电压还要高，这种变压器被我们称之为升压变压器；当N2N1时，其感应电动势比初级的电压要低，这种变压器被我们称之为降压变压器。初级初级电压与线圈圈数间存在着下面关系： 式中的n,被称为电压比（圈数比），当n1，则N1N2，V1V2，该变压器为降压变压器。反之，n1，则变压器为升压变压器。2）变压器的效率：在额定功率情况下，变压器的输出功率和输入功率的比值，叫作变压器的效率，即： 3、开关电源中的高频变压器答：开关电源中的高频变压器一般都是用软磁铁氧体材料做成的。线圈的初级次级是用漆包线绕制在骨架上，再安装在磁芯上。如下图二所示： 4、磁性器件在电源中起到什么作用？ 答：两个作用：1）变压器的作用：（1）电气隔离； （2）通过调节变比进行升降压； （3）传递能量或信号； （4）测量电压或电流；2）电感的作用： （1）储能 ； （2）滤波； （3）抑制尖峰电压或电流； （4）与电容产生谐振；5、什么是平面变压器？答：平面变压器是近几年才在国内热火起来的一种新型变压器。它的特点是器件的整体高度低，呈扁平形状，具有很多特殊的电气优点，使用软磁铁氧体功率材料做磁芯，是一款支撑未来电源进而改变人类用电器具的关键核心器件。6、平面变压器有哪些技术特点？答：表1 基本归纳了平面变压器的优越性能：表11：平面变压器的优越性能表优越性具体性能高度低、体积小、重量轻一般高度均小于20mm,每100W约重15g.高功率密度比同类型的传统变压器高35倍功率适应范围大5W25KW高电压量次级升压可以达到20KV以上高电流量每层绕组可以达到200A高效率效率可达95%99%低漏感初级电感的0.2%以下低EMI辐射有效的磁芯屏蔽工作频率范围宽20KHz2MHz工作温度范围宽-400C1300C热传导效果好散热面积大组装性能好便于安装在印制板上7、平面变压器的结构特点是什么？答：平面变压器和传统的高频变压器最大的不同就在于它基本上不使用铜线来绕制，它的内部不存在传统的骨架。它线包的制作通常有两种方式：1）铜箔式平面变压器，这种方式是利用铜箔作绕组，折叠成多层线圈，适合于制造低压、大电流的变压器； 2）多层印刷板式平面变压器，这种变压器是采用印刷电路板制造工艺，在多层板上形成螺旋式线圈，适合于制造性能比较稳定的中小功率的变压器。8、平面变压器的技术优点还有哪些？答：（ 1 ）电流分配均等 典型的平面变压器副边绕组有若干个并联的线圈。每个副边绕组都和同一个原边绕组相藕合。所以，副边电流产生的安匝数与原边绕组产生的安匝数相等（忽略励磁电流）。这种特性对并联整流电路特别有用。绕组电流分配均等，在并联整流电路中就不影响其他元件。 （ 2 ）电流密度高 平面变压器有极好的温升特性设计。因为这些特性，所以它能在很小的封装体积内达到很高的电流密度，由于它的结构特点，完全满足高频电流的工作特性，所以适合在高频率的场合使用。 （ 3 ）高效率 低漏电感，使它能具有很快的开关时间，很低的交叉损耗，就能使它达到很高的效率。这种变压器副边绕组和原边绕组间因为接触非常紧密，就具有很高的耦合系数，所以它的效率高、损耗很小。 （ 4 ）功率密度很高 因为平面变压器元件的尺寸很小，它具有极好的温度耗散特性，所以能和有关点半导体器件和电感紧密地封装在一起，实现的电流密度可做到 30A / 模块。 （ 5 ）低成本 整个变压器是由少量有关的廉价元件组成，加上组装又很方便，PCB板的前期开发成功以后是采用印制加工方法，所以整体变压器的成本是很低。 （ 6 ）连接部件成本低廉 由于它的漏电感很小，开关损耗很低，加在和它相连接部件上的应力减少。因此和它连接的部件能使用成本较低的功率元件。 （ 7 ）热耗散特性好 平面变压器是具有很高的表体面积比、很短的热通道的元器件。这种结构有利于散热。原边和副边绕组之间的匝间损耗很小，磁芯的功率损耗较小，所以它能做到高磁通密度。它可在 -400C 1300C 之间工作。 （ 8 ）泄漏电感低 绕组和绕组之间的良好耦合，就能使绕组匝间的漏电感保持在最小值。输出端到辅助部件的连线很短而且是紧配合，所以绕组上的漏电感最小。漏电感小意味着变压器的EMI指标更好，对开关功率器件的损害最小。 （ 9 ）高频特性极佳 在这之前，当变压器运行在高频时会使开关损耗增大和使变压器过热。平面变压器的出现，使这些问题得以解决。平面变压器能做到提供一种既经济又好的变压器模块。它可工作在 100KHz 2000KHz 之间。 （ 10 ）结构简单适宜表贴 平面变压器是由少量部件和最少的绕组构成的，这种模块在自动化装配中特别适用，而且它的外形天生就注定它适合表面贴装及大规模的流水线生产。 （ 11 ）外形低宜于整机小型化 在平面变压器中所用的磁芯较小，它是以一种扁平的形态排列在变压器的表面上。每一磁芯单元外形在 8mm 32mm 范围内，这就使得它具有了很多独有的优点。 （ 12 ）绝缘强度高 平面变压器很容易使用绝缘簿膜或是绝缘材料对变压器的介电绝缘按要求的进行层数、厚度进行绝缘从而达到所需的技术要求。9、平面变压器能够代表变压器的未来方向吗？答：是。微型变压器的发展是当今电子、信息技术的需求，变压器的微型化是变压器技术发展的必然趋势。就目前来看，以铁氧体为磁芯的平面变压器体积小，功率密度大，是现在微型变压器的主流。以微制造技术的薄膜变压器以及发展已久的压电变压器都还正处于不成熟的研制阶段，都不能担当起在大功率、大变压比的实际工程中推广应用。随着电子技术的飞速发展，铁氧体平面变压器必将在较大功率的模块电源中发挥主要作用。而且随着技术的不断成熟，平面变压器必然会成为变压器，变流器、电感器件的首选。10、平面变压器是啥模样的？答：这里给出它的部分照片。图三：11、为什么平面变压器的结构是这样的呢？答：这一切都是缘于技术的发展和社会的需求。第一代的变压器使用的是铁芯也就是所谓的硅钢片。这种变压器制作的电源既笨重且效率特别低，转换效率一般在50%左右，它适合现已有的供电网络工频（50Hz）的市电系统。为了减轻重量提高转换效率，随后人们提出了开关电源概念，电气工程师们把开关电源的工作频率从10KHz逐步的提高到了100KHz，其中所用到的就是第二代变压器铁氧体的高频变压器，由于铁氧体变压器的体积和重量大大减轻减小（如20KHz工作频率是原来50Hz的400倍），使得整个电源的体积和重量就有了较大幅度的减轻减小，效率也从原来的50%提高到了80%以上。但是人们仍然不满足，还想不断的提高工作频率，大家很自然的认识到，要想得到更高的效率、更小的体积、更高的功率密度、更优质的电源唯一有效的方法就是提高开关电源的工作频率。在这里就有必要来看看电磁领域的法拉第电磁感应定律了。 技术讨论QQ：893454012 1582845528512、什么是法拉第电磁感应定律？答：法拉第电磁感应定律是指导我们在电磁学中不致迷路的一条重要理论，这个理论在磁芯设计中有如下表示形式法拉第定律：V=4.44N*Ae*fs*B*10注： V表示感应电压（单位为伏特） 4.44表示正弦波的系数因子 N 表示线圈的匝数 Ae 表示有效的磁路截面积 f 表示电磁频率 B 表示最大磁感应强度在这些参数是，用比较简单有效的方法能够明显缩小磁芯尺寸就是提高电磁频率f。提高磁芯工作频率的关键前提是铁氧体适于工作于数百千赫兹甚至达到兆赫兹的工作频率。在高频情况下，Ae和N的值就可以相对应减小，这就意味着与低频比较，在高频的状态磁芯尺寸就能够实现微型化。 但是任何事物都有自身的运行规律，在这种高频率的工作状态下，一种电路理论中的物理现象就显现出它的存在威力了，这就是高频电路中特有的“趋肤效应”。13、什么是“趋肤效应”？答：“趋肤效应”也称为“集肤效应”。 具有一定频率的交变电流通过导体时，由于感应作用引起导体截面上电流分布不均匀，愈近导体表面电流密度越大。这种现象就称为“趋肤效应”。趋肤效应使导体的有效电阻增加。频率越高，趋肤效应越明显。当频率很高的电流通过导线时，可以认为电流只在导线表面上很薄的一层中流过，这等效于导线的截面减小，电阻增大。既然导线的中心部分几乎没有电流通过，就可以把这中心部分除去以节约材料。因此，在高频电路中可以采用空心导线（即导管）来代替实心导线。为了削弱趋肤效应的影响，在高频电路中也往往使用多股相互绝缘细导线编织成束来代替同样截面积的粗导线，这种多股线束称为辫线。在高频和微波电路中，使用的器件为了提高性能，一般要在器件内部采用镀银工艺，目的也是在器件导体的表面尽可能的减轻“趋肤效应”的影响。 交变磁场会在导体内部引起涡流，电流在导体横截面上的分布不再是均匀的，这时，电流将主要地集中到导体表面。这就是“趋肤效应”。电流的频率愈高，趋肤效应越明显，带来的问题就越多。 至此，我们也就不再难以理解平面变压器的结构特征了。在高频工作状态下，传统高频变压器线包中的电流，实质上越来越多的只在导线的表面上流动，由于流动面积减小，增加了电流流动的困难，使变压器的效率降低；现在我们选用PCB板，利用上面的铜箔作为导电线圈，既适应高频电流的工作特性，又能降低变压器的高度，岂不是一举两得。同时随着工作频率的上升，传统高频变压器这种敞口结构十分不利于电源的EMC指标达标，它的高度较高就使得其稳定度会出现问题，散热也更不好解决。14、趋肤效应是用什么做衡量标准的？答：是用穿透深度来表征的，用表示。定义为电流密度下降为表面电流密度的1/e处的深度， 式中， 穿透深度，单位为mm。 km 与温度等有关的常数，例如铜：100时， km=75，20时， km=65.5。 f 频率，单位Hz。 K 材料常数。15、铜线的穿透深度一般是多少？答： 表2 铜线的穿透深度银比铜的趋肤深度要深些。因此工作于高频的变压器就必需要考虑这一影响，当绕组中电流的频率增高到高频段时，由于趋肤效应的影响，绕组电阻增大，导致绕组损耗增加。交变频率越高，电阻的增大也越多越明显。16、高频变压器对磁材有哪些要求？答：1） 磁导率高：磁感应强度B = H，因此在一定的磁场强度(H)下，B 值取决于材料的值，对要求一定磁通量(BS)的磁器件，选用值高的材料，就可以降低外磁场的励磁电流，从而降低磁芯元件的体积。2）矫顽力低：材料的矫顽力越小，就表示磁化和退磁容易，磁滞回线狭窄，在交变磁场中磁滞损耗就越小，功率消耗就小。3）高电阻率：在交变磁场中工作的磁芯具有涡流损耗，电阻率高，涡流损耗小，发热就小，消耗的电磁功率就小。4）具有较高的饱和磁感应强度：磁感应强度高，相同的磁通需要较小磁芯截面积，磁性元件体积小。5）成本低。17、高频磁芯在使用时还要采取什么措施？答：为了防止磁饱和，磁材一般要磨制气隙。气隙是什么？如图四所示的磁滞回线可以稍作说明：在磁芯的磁路中加入气隙，就是把磁芯的某一个端面用磨床或是锉刀砂纸磨削去掉一定的高度，就形成了空的一节，我们把这空的部分称之为气隙。因为气隙与磁材的导磁率相比要小得多，所以整个磁路的等效（平均）导磁率比起没有加气隙以前要小，表现在B-H平面上，它的磁滞回线的斜率变得要小很多，成了具有相似于线性斜率的直线。18、在磁路中加入气隙是起什么作用？答：磁路中开气隙相当于把磁芯的磁滞回线向X 轴向倾斜，在同样的磁感应强度下，可承受更大的磁化电流，则相当于磁心储存了更多的能量，此能量在开关管截止时通过变压器次级泄放到负载电路。在反激式拓扑开关电源，磁芯开气隙主要是两个作用，一是传递更多能量，二是防止磁芯进入饱和状态。一般来说，气隙可以减小磁导率，就改变了磁芯的磁滞回线的斜率。所以磁芯加气隙能达到如下目的: 1、減小了电感量；2、使激磁电流增大； 3、能降低剩磁； 4、增加储能能力,抗磁饱和能力显著增强；19、哪些磁路中可加或不用加气隙？答：（1）正、负电压对称、无直流分量的变压器，其磁路不需要气隙。 （2）转换器中，初级与隔离电容串联的变压器磁路中不需要气隙。 （3）反激式转换器的变压器初级绕组电流是储能电流，全部是励磁电流。为了不使磁通饱和，磁路中应加入足够的气隙。 （4）正激式转换器通常无反向磁动势（初级有有源钳位例外），为了减少剩磁，可以加很小的气隙。 （5）对于推挽式转换器，为了防止两个开关管的电流不平衡时产生过大的直流偏磁，应加适当的气隙。当采用电流型控制时，电流的不平衡可以得到限制。 20、磁芯中研磨气隙有哪些方法？答：功率铁氧体磁芯都需要开气隙，目前主要是减小磁芯在不对称磁场状态下工作时的剩磁。气隙越大剩磁就越小，这样同体积的磁芯就可以提供更大的功率，避免在交流大信号或是直流偏置下的磁饱和现象，且能更好的控制磁芯的电感量，提高变压器在工作时的稳定性。但是气隙的增加同时也降低了磁芯的磁导率，造成线圈圈数增加，相关铜损也随之增大，线圈的分布电容也增大，对变压器稳定工作不利。所以应该根据需要来选择适当的气隙。常用的EE型、EC型、罐型、EP型、RM型、PQ型等磁芯的气隙研磨大致分为三种：1）普通研磨气隙只是把磁芯中柱平行磨去一定尺寸，可有效防止磁饱和发生，并将电感量控制在很窄的范围内，使磁芯的电感量保持在一个稳定的数值；2）把磁芯中柱倾斜的磨制一定角度，能加大中柱气隙的截面积，可以提高变压器的效率；3）为了加大中柱的截面积，也可以把中柱磨制成凹凸形，效果也是很不错。21、怎么来计算磁芯气隙的长短？答：在研磨气隙时，我们需要通过计算来得到气隙的长度，这里给出以下公式可以给读者提供有益的参考：当Ab与Ae相差较大时，有 式中，lg 为所希望得到的气隙量；le为磁芯的有效磁路长度；为磁芯材料的起始磁导率；e为开气隙后要求的磁导率；Ab为磁芯开气隙处的截面积；Ae为磁芯的有效截面积；L0为未开气隙时的电感量；Le为开气隙后要求的电感量。22、磁芯气隙的功与过答：磁芯开气隙确实是一个了不起的重要发明，正是这个小小的气隙，使开关电源技术能够发展得如此的丰富多彩。磁芯的气隙一般在0.21.5mm间，虽然气隙比较短，但是效果是很大的。由电路的全电流定律可以推导出： B=410-7rNLlm (1)式中lm为磁路长度，一般在开关电源中用到的铁氧体磁芯的磁路都比较短，这样就造成B值会很大，铁氧体磁芯就容易饱和。如果加上气隙情况就变得大不相同了：带气隙磁芯磁路的有效长度为： La=lm+rlg常用铁氧体磁芯的r都是在15003000之间，（1）式就可以改写为： B=410-7rNLla=410-7rNL(lm+rlg) (2) 举一个例子来做说明： 选磁芯为EI33, NP=100匝， IP=0.5A, r=1500， 气隙lg=1mm。 无气隙时： Bm=410-715001000.50.076=1.239T 有气隙时： Bm=410-715001000.5【0.076+（15000.001）】=0.0597T 同一个磁芯，在电流不变的条件下，仅因为在磁芯的磁路上增加了1mm的气隙，就使这个磁芯的磁感应强度变成了没有加气隙磁芯磁感应强度的4.8%，明显的远离了磁饱和区域，确实有些神奇，效果显著，这就是气隙的功。 那么气隙带来的都是好处呢？不是！实际上气隙带来的问题很多很严重：1、 增加成本。特别是精确尺寸的气隙，都是磨床加工出来的，加工成本高；2、 虽然通过在磁芯中开气隙的方法可以解决磁芯因为非周期电流引起的磁饱和问题，但气隙会造成磁芯的体积变大，使变压器的造价变高；3、 在磁路的气隙处会带来磁阻，造成比较大的漏磁增加变压器的ENI，使变压器的电磁干扰超标；4、 为了减少由气隙附近的扩散磁通引起的绕组损耗，绕组布置需避开气隙3个左右的气隙长度。然而对于较大的气隙，那样做将使磁芯窗口的利用率大大降低；5、 气隙必然带来磁导率的降低，所以为了弥补电感量的减少一般需要加多绕组的匝数，这就带来了变压器铜损的增加；6、 气隙的处理需要非常小心，气隙太大可使漏感变大，磁滞损耗增加，铁损、铜损增大，影响电源的整机性能。气隙太小有可能使变压器磁芯饱和，导致电源损坏。 7、 气隙带来漏感能量的增加及带来的额外铜损也不可忽略.总之,在线路拓扑未利用其漏感的情形下对磁芯加气隙以防止磁通不平衡并不是非常合适的选择, 它不如通过在初级回路串联一个隔直电容来得有效.解决磁通不平衡最有效的方法是在二次侧整流电流平衡的条件下采用电流模式控制.23、有哪些办法能够减少气隙的不良影响？答：1、比较常用的方法就是把一个气隙变成两个或是三个更小的气隙，这样就可以保留气隙的优点，减小气隙带来的缺陷。但是这会造成气隙加工复杂化，成本增加。而且过度的二次加工对性质硬脆的磁材可能带来机械伤害，使磁材容易断裂。2、再一个方法就是不开气隙，采用一种耦合度可改变的阵列式集成磁件，它是利用两个小一些的磁芯组成所谓的阵列式磁件，初级和次级绕组在这两个磁芯上采用新型绕法而得到的。实际对比测试结果表明：在绕组匝数相同、磁件体积及耦合度基本相同的情况下：1）阵列式集成磁件的电感量大于传统E型磁芯；2）阵列式集成磁件的绕组损耗、磁芯热损耗均小于传统E型磁芯，其各方面的技术参数均优于传统E型磁芯采用加气隙方法获得的电气指标。 3、另一个方法是可以开气隙，但是需要在磁芯气隙的旁边再加装一种特殊磁芯形成新型变压器结构。这种方法因为设计参数比较多，应用上还不是很成熟。 4、寻找新型的铁氧体磁芯，这种磁芯因为具有多孔结构，本身就有气隙的特征，不开气隙或是少开气隙就拥有了气隙的优点。24、目前在使用的功率铁氧体磁芯有哪些？答：目前在使用中的功率铁氧体磁材主要是两种：锰锌铁氧体和镍锌铁氧体，锰锌铁氧体大约占65%，占主流，镍锌铁氧体约占30%。其它还有镁锌铁氧体等等。25、两种功率铁氧体材料的性能对比答：在功率铁氧体材料方面，目前普遍使用的是两种：即锰锌铁氧体和镍锌铁氧体材料，它们都属于容易磁化和退磁的软磁材料。他们各有特点，我们粗略的做对比如下：a) 锰锌铁氧体: 原材料价格低，有些人称它为半导体铁氧体。镍锌铁氧体: 镍是一种稀缺金属，这种原材料价格高，有些人称它为电介质铁氧体。b) 锰锌铁氧体: 通常工作在1MHz 下，具有较高的磁导率。镍锌铁氧体: 通常工作在1MHz 以上，甚至可达300MHz，以前主要应用于有线电视系统的元器件及EMI器件制造，现在的磁导率已经和锰锌材料能够媲美。c) 锰锌铁氧体: 电阻率低，一般只有0.120m，Q值较低。镍锌铁氧体: 电阻率高，一般都在103105m，Q值较高。d) 两种材料电阻率与工作频率的关系如下：频率（MHz） 0.1 1 10 100锰锌电阻率（m） 2 0.5 0.1 0.01镍锌电阻率（m） 105 5*104 104 103e) 锰锌铁氧体: 加工制备的工艺过程比较复杂，烧结温度高，1400甚至1600烧结过程中需要有气体保护，必须在钟罩式气氛炉中烧结。镍锌铁氧体: 加工制备的工艺过程简单，高温时NiO的物理性能非常稳定，烧结过程中不需要气体进行保护，烧结温度一般在1100即可，节省能源。f) 由于两种磁材的材料及内部微细结构的差别，锰锌铁氧体一般要求工作在100左右，不宜太高，而镍锌铁氧体可以工作在200以上，它们各自烧结的过程就明显的说明了这一点。g) 锰锌铁氧体：肉眼识别时，不涂漆的表面较平滑，结构比较紧密，不易掉粉，颜色深显黑色。用电阻表在其表面任两点测试时，用最大的10K档测，阻值在150K以下的就是锰锌铁氧体。 镍锌铁氧体：肉眼识别时，不涂漆的表面比较粗糙，晶粒细而小，呈多孔结构，颜色发灰或是呈棕色。用电阻表在其表面任两点测试时，用最大的10K档测，阻值相当大表针基本不动的就是镍锌铁氧体。测试时都可以采取一些辅助的技术措施，比如：用砂纸擦去磁芯表面的涂层；或是用软B铅笔在它们表面涂抹出两个测试点等等。h) 二者的共同点：在软磁铁氧体中存在粘结剂，与磁粉芯类似的原因，饱和过程是缓慢的。磁化曲线与温度的关系，在100时，饱和磁感应强度由常温（25）的0.42T 下降到0.34T。因此，在选择磁芯时应考虑这一因素。26、从对比中我们可以得出何结论？答：1）软磁铁氧体磁芯损耗通常细分为三种类型：磁滞损耗Ph、涡流损耗Pe、剩余损耗Pr，每种损耗在频率范围的表现上是不一样的。磁滞损耗正比于直流磁滞回线的面积，并与频率成线性关系，对于工作在频率100KHz以下的功率铁氧体磁芯，降低磁滞损耗是最重要的。随着开关电源小型化和工作频率的不断提高，涡流损耗这个时候就成了变压器最重要、最致命的影响因素了。当工作频率达200K500KHz的时候，涡流损耗的影响绝对占了支配地位，对涡流损耗起作用的关键因素就是磁材的电阻率。磁材的电阻率越高，带来的涡流损耗就越小。越小的涡流损耗就意味着效率高、整机的功率损耗小、发热量小。镍锌铁氧体比锰锌铁氧体电阻率要高38个数量级。2）镍锌铁氧体具有多孔结构，这正是我们迫切需要的。3）镍锌铁氧体的居里温度点高得多，这对功率铁氧体的正常工作关系重大。4）镍锌铁氧体的烧结工艺简单，不需要气氛保护，烧结温度相对较低，通过适当的离子替代和掺杂改性后可与LTCC（低温共烧陶瓷）工艺兼容。LTCC是未来电子器件制造的最好方法。5）通过改变配方及制备工艺的更加精细，镍锌铁氧体材料也完全可以获得高的磁导率和比锰锌铁氧体高得多的Q值。27、为什么说镍锌铁氧体材料更优秀？答：功率铁氧体又称电源铁氧体，是一种高Bs低损耗的材料，其主要特点是在高频（几百KHz）、高磁感应强度（几百mT）的条件下，仍能保持很低的功耗，而且其功耗随磁芯的温升反而下降，具有负的温度特性，在300时达到最低点从而可以形成很好的良性循环，这一点实难可贵。功率铁氧体的主要用途是以各种开关电源、变压器和彩电回扫变压器为代表的功率型电感器件，用途十分广泛。开发具有更高工作频率和更低功率损耗的锰锌铁氧体材料已经不太可行，这是由于锰锌铁氧体磁材本身太低的电阻率缺陷造成的，这就使得锰锌铁氧体器件在高频领域实际上已经失去了用武之地。锰锌铁氧体磁材只能应用于1MHz以下的频带，频率再高，就必须使用镍锌铁氧体磁材。镍锌铁氧体磁材以其优良的高频特性、极高的电阻率、极低的损耗角tg、零温度或是负温度特性及产品结构具有多孔特点等等，其性能大大优于锰锌铁氧体，所以非常适宜在高频系统中使用，另外高温时NiO是很稳定的氧化物，它可以在空气或是氧气中烧结，制备工艺比锰锌铁氧体简单并节能。28、镍锌铁氧体在电感器件小型化方面的作用答：功率铁氧体电感器件广泛应用于工业、民用及军事等各个领域的电子设备中。表面贴装技术（SMT）在电子整机制造技术中得以大力普及，也促使功率电感器件不断向小型化、片式化方向发展，传统的锰锌功率铁氧体材料已经不能适应这种发展趋势的要求，即将面临被淘汰。根据功率铁氧体器件的工作要求，为了缩小体积，必须提高它的使用频率和磁饱和感应强度。而锰锌铁氧体的电阻率很低，其高频的涡流损耗就很大，限制了它在高频领域的应用。由于它的电阻率很低，绕线时必须要在锰锌铁氧体磁芯上添加绕组骨架，而不能把漆包线直接绕制在磁芯上。在平面变压器中，PCB板也是不能直接平铺在锰锌铁氧体的磁芯上，这些都不利于功率铁氧体电感器件的小型化。此外，采用锰锌铁氧体材料制备的功率器件在进行组装时，相互之间必须要保持一定的距离以防止出现“爬电”现象，这也与电子器件高密度组装的发展趋势不相适合。所以，发展新一代适合高密度表面贴装的功率铁氧体材料意义十分重要。由于镍锌铁氧体磁材具有比锰锌铁氧体高得多（至少高38个数量级以上）的电阻率，不仅在高频的涡流损耗很小，而且因为配方和制备技术的改进镍锌铁氧体同样可以获得很高的磁导率以及饱和磁感应强度，因此成为了锰锌铁氧体功率电感器件的最佳替代品。它不仅在耐压方面优于锰锌材料，因为它可采用无骨架结构，就大大减小了器件本身的体积和成本，在密集组装时又能很好的避免出现“爬电”现象，特别适宜于表面贴装技术的应用，是电源以及仪器仪表实现小型化的有力保证。29、软磁铁氧体有行业标准吗？答：有。我国发布的“软磁铁氧体材料分类”的行业标准，把功率铁氧体材料分成为PW1PW5五类，即工作频率为15KHz100KHz的是PW1材料；工作频率为25KHz200KHz的是PW2材料；工作频率为100KHz300KHz的是PW3材料；工作频率为300KHz1000KHz的是PW4材料；工作频率为1MHz3MHz的是PW5材料。目前国内企业已经能生产相当于PW1PW3类的软磁材料，能小批量生产应用于100KHz500KHz的功率铁氧体材料，PW4材料只有部分企业小批量在试生产，个别单位研制出了应用于500KHz1000KHz的新型功率铁氧体材料，新的PW5电源材料基本上未着手研究。与国外相比，国内的功率铁氧体材料仍存在着相当大的差距。其它技术指标见下图。图五：功率铁氧体材料分类的行业标准（等同IEC1332-1995）：1) fmax是该类材料适用的最高频率。2) B：是该类材料适用的磁通密度。3) 100时的a的振幅磁导率。4) 功率损耗在100测量得到的值。5) 是25的初始磁导率。30、什么是电感的Q值？答：电感 的Q值又叫做电感的品质因数，这是一个电学和磁学上的量。表征一个储能器件（如电感线圈、电容等）、谐振电路所储能量与每周期损耗能量之比的一种质量指标。元件的Q值越大，用该元件组成的电路或是网络的选择性越佳。电抗元件的Q值等于它的电抗同等效串联电阻的比值。对于无辐射系统，如 Z=R+Jx，则Q=X/RQ值是用来衡量电感器件的主要参数，是指电感器在某一频率的交流电压下工作时，所呈现的感抗与其等效损耗电阻之比。电感器的Q值越高，表明它的损耗越小，效率越高。31、什么是磁芯的居里温度点？答：居里温度点是材料失去磁特性的温度点。超过居里温度点时，电路中的磁芯就会失效。磁介质大体可以分为顺磁质、抗磁质和铁磁质三类。以铁为代表的一类磁性很强的物质叫铁磁质。当铁磁质的磁化达到饱和之后，如果将磁化场去掉，即H=0，介质的磁化状态，并不恢复到原来的起点，而是保留一定的磁性。这时的磁场强度H和磁感应强度B叫做剩余磁场强度和剩余磁感应强度。通常用HR和BR来表示。若要使介质的磁场强度和磁感应强度减到0，必须加一相反方向的磁化场，即H0。只有当反方向的磁化场大到一定程度时，介质才完全退磁，即达到H=0，B=0的状态。使介质完全退磁所需的反向磁化场的大小，叫做这种铁磁质的矫顽力。铁磁性是与磁畴分不开的。当铁磁体受到强烈震动或在高温下由于剧烈的热运动的影响，磁畴便会瓦解，这时铁磁性质全部消失，包括磁滞现象，即磁滞回线也消失。对于任何铁磁物质都有这样一个临界温度，高于这个温度的铁磁性就消失，变为顺磁性。这个临界温度叫做铁磁质的居里点，也叫居里温度点。32、什么叫电感的耦合系数？答：耦合系数是用来描述两个线圈之间相互耦合的紧密程度。是用耦合系数K表征： 0K1K的大小取决于两个线圈的位置与取向，K=1 称为全耦合；K近似于1时称为紧耦合；K值较小时称为松耦合；K=0时称为无耦合，即是两个独立的电感元件。33、理想变压器的标准是什么？答：1）理想变压器的六个条件： 理想变压器属多端元件可以看作为互感多端元件，是在满足下述6个理想条件极限演变而来的。 条件1：耦合系数k =1, 即全耦合。 条件2：自感系数L1、L2无穷大但L1/L2等于常数。也为无穷大。此条件可简说为参数无穷大。条件3： 磁芯无损耗，变压器无温升。条件4：初次级线圈的电阻为零，因而初次级回路无铜阻压降，无功率损耗条件5：磁芯的磁导率很大，因而初次级之间无漏磁，即初级产生的磁通全部穿过次级，次级产生的磁通全部穿过初级。条件6：铁芯无磁饱和现象。2）理想变压器的3个主要功能：变压、变流、变阻抗。3）理想变压器的变压、变流关系适用于一切变动电压、 电流情况，即便是直流电压、电流，理想变压器也存在上述变换关系。 4）理想变压器在任意时刻吸收的功率为零，这说明它是不耗能、不贮能、只起能量传输作用的电路元件。读者了解这些概念是非常重要的，对我们理解变压器的工作原理，进而追求最佳变压器工作状态是有好处的。34、磁芯损耗是什么？答：通电工作时铁芯会发热，表明铁芯内有能量损耗，称此为铁芯损耗Pc 。 Pc是由电源供给能量，其影响相当于在理想变压器初级并上一个等效的电阻rc ，在初级回路引进一个铁损电流Ic 。 功率型 磁芯在高 磁通密度时的单位体积的损耗用kw/m3表示。实际测试时磁芯的体积不易求得，故常用mw/g表示。换算时，只需将kw/m3的数字除以该磁芯的密度即换算为w/kg或mw/g。例如PC30材料在f=100KHZ温度为100 ，Bm为200mT时Pc为600kw/ m3 ，因密度为4.8g/cm3 则有600/4.8=125 mw/g。 磁芯损耗是表征功率型材料的十分重要的参数，它是计算变压器温升的主要依据，也是选取变压器磁材的主要依据，它与使用频率，工作磁通密度，工作温度也有极明显的关系故在所有供应商的磁芯规格书中都明确表示了这些条件。使用时必须依此条件，选择合适的材料。 目前，磁芯损耗的常用测量方法中，合乎标准的有乘积电压表法和磁滞回线面积法，而不少工厂使用的并联谐振法，具有简易快捷的特点，很适合工业生产中使用，但由于原理上的缺陷，不能作为标准方法。 35、什么叫漏磁？它会产生什么影响？答：实际变压器初、次级线圈所产生的磁通，并非全部通过主磁路铁芯，有一部分经空气构成回路，称此为漏磁通s ,漏磁链w s与产生该漏磁链的电流I之比，称为漏感Ls 。 Ls= w s / I 漏磁的影响，相当于在理想变压器的初次级回路中引入漏感Ls1 、 Ls2 ，初次级电流在漏感上产生压降，使初次级感应电势E1 、 E2及负载电压降低。漏感抗是随着工作频率增大而增大，对于工频变压器，由于工作频率低，一般可以忽略不计其影响。但对于高频变压器，漏感会使工作电流的波形产生极高的尖峰，这些尖峰容易损伤开关功率器件，同时造成功率浪费增加功耗。如何减少漏感及其带来的影响是一个需要高度重视严肃对待的重要技术课题。36、什么叫分布电容及它会带来什么影响？答：两个相邻的导体中间放上介质即构成电容，变压器导线的匝间、层间、绕组间及绕组对磁芯间，会形成了复杂的分布电容。初次级间的电容，将初级输入线上的杂波偶合到次级，对负载电路形成杂波干扰。匝间、层间、绕组间及绕组对磁芯间的分布电容，使变压器暂态过电压分布不均，导致变压器某些部位暂态过电压过高而击穿。在音频、脉冲变压器中，分布电容将引起频率幅度失真与波形失真。在平面变压器中，PCB板之间就会形成分布电容，这个电容效应会劣化平面变压器的EMI指标，使线圈绕组的Q值降低，变压器系统的工作稳定性变差。37、什么是磁芯的矫顽力Hc ？答：从饱和状态去除磁化场后，磁芯继续被方向的磁场磁化，直至磁通密度减小到零，此时的磁场强度成为矫顽力。矫顽力是磁芯性能的一个重要指标，矫顽力越小表示磁芯容易磁化或是容易退磁，功耗就小。 注意：在一般的磁芯供应商的规格书中给出的上述Bs 、 Br 、 Hc的值都是在静态（直流）的磁化下测出的，它与实际应用中在交流磁化下得的值是不同的。在设计变压器，选取磁参数时必须留意这一点。38、平面变压器的磁芯外形有哪几种？答：如图六所示，现在一般是采用EI型磁芯或是EE型磁芯。图六是几种磁芯的剖面图，另外也有用PQ型、RM型或是PJ型磁芯的。 平面EE型磁芯 传统EI型磁芯 平面型EI型磁芯这是PQ型磁芯 这是RM型磁芯，下面的是PJ型磁芯 39、介绍一下这几种磁芯？答：常提及到的平面磁芯一般是指E型磁芯，上面图中展示了平面型E型磁芯与传统的E型磁芯的结构差别。很容易看出，平面型磁芯通过增大外表面面积大大扩展了磁芯的体积，并降低了高度。这种E型磁芯可以很快利用已有的传统的E型磁芯进行改造运用，尽快的推出产品。但是这种磁芯做的平面变压器，由于线包有近一半是曝露在空气中，破坏了变压器的EMI指标，同时因为这些线包没有进入磁芯中去参与磁电的激励变换过程，漏感较大，实测其转换效率都在80%左右，离理论值98%相差非常大。其它的几种磁芯，用它们来制作平面变压器是各有特点。一般而言，用罐形磁芯制作的平面变压器，其EMI指标要好得多，效率也是要高得多。但是实践中发现存在散热问题。40、各种磁芯的结构特点比较答：EP型磁芯：EP型磁芯的圆形中心柱的立体形结构，除了与PCB板接触的末端外，磁芯完全把绕组包裹了起来，屏蔽效果非常好；这种独特的形状结构极大的减弱了两片磁芯装配时因为接触面而形成的气隙所可能带来的影响，并且提供了一个体积和空间利用率的最好比例。罐形磁芯：骨架和绕组几乎全部被磁芯包裹起来，所以它的EMI指标特别好；罐形磁芯的尺寸均符合IEC标准，在制造的时候互换性非常好；可提供简易型骨架（无插针）和PCB板安装骨架（有插针）；由于罐形磁芯的形状特点，与其它类型同等尺寸的磁芯相比较，它的造价要高些。它的形状不利于散热，因此不适宜应用于大功率的场合。RM型磁芯：与罐形磁芯相比，RM型就是切掉了两个对称侧面的罐形磁芯，这种设计更有利于散热和大尺寸的引线引出；它比罐形磁芯节约了40%的安装空间；骨架有无针形和插针形两种；可以采用一对夹子进行安装；RM型磁芯可以做成扁平形状（适合现在的平面变压器或是直接把磁芯装配到已经设计好绕组的印制板电路上）；屏蔽效果比罐形磁芯稍差。E型磁芯：与罐形磁芯相比，E型磁芯的造价要低很多，再加上绕制和组装都比较简单，这种磁芯形状现在应用最广，它的缺点是不能提供自我屏蔽而且漏感比较大，造成EMI指标较差；E型磁芯可以进行不同方向的安装，也可以几付磁芯叠加应用于更大功率的场合；这种磁芯也可以做成扁平形状（是现在平面变压器最流行的磁芯形状）；也能提供无针和插针形骨架；由于其散热非常好，可以叠加使用，所以一般大功率电感器和变压器都使用这种形状的磁芯。环形磁芯：环形磁芯对制造商来说是最经济的；在可比较的所有磁芯中，它的费用最低；由于使用骨架，附加的费用和组装费用基本为零；需要时它可以使用机器进行绕制；它所带来的屏蔽效果也很不错。EC、ETD、EER磁芯：这些类型的磁芯结构介于E型和罐型磁芯之间。和E型磁芯一样，它们能够提供足够的空间来安排大尺寸的引线（适合现在开关电源输出低压大电流趋势）；这些形状的磁芯散热也非常好；由于中心柱为圆柱形，与相同截面的E型的长方体比较，单匝绕组长度缩短了11%左右，就使变压器的铜损也降低了11%，同时使磁芯能提供更高的输出功率有了基础；由于中心柱为圆柱形，与E型的长方体的中心柱相比，也避免了因长方体棱角在绕组时破坏绕线绝缘的隐患或是PCB板中心柱边角的应力集中可能出现的开裂问题。PQ型磁芯：PQ型磁芯是专门为开关电源用电感器和变压器设计的。PQ形状的设计优化了磁芯体积、表面积和绕组的绕制面积之间的比率；这种设计是追求使用最小的磁芯来提供最大的电感量和最大化的绕制面积成为可能；这种设计使得在最小的变压器体积和重量下，以期获得最大的输出功率，并且只占用最小的PCB安装空间；可以使用一副夹子来进行安装固定；这种有效的设计也使得磁芯型磁路截面积更加统一，因此这种磁芯结构比起其它的磁芯结构具有更少的工作热点。PJ型磁芯：PJ型磁芯是一款外形设计较为有特点的产品，参看第38问。实际上这款磁芯的新改进型模具已经做好了，中心柱从原来的13变小为10，并且中心柱做了穿孔，所有的壁厚都一致。这就带来了几个好处：1）壁厚一致使磁材料能够得到充分利用；2）给PCB板留下了更多的空间，让PCB线圈显得更加合理；3）中心柱的穿孔既节约了磁材，又给平面变压器热量最高的中心柱处开辟了散热通道，改善了磁芯的工作条件，使磁芯工作更稳定更可靠；4）在模具上就给磁芯的中心柱做了气隙，气隙是倾斜形式，从最短0.2mm到最长1mm。这样预留气隙就节省了再加工费用，而且一致性好成本低。从改进型PJ型磁芯的应用结果看，它几乎综合了上述所有磁芯的全部优点，是一款完美的平面变压器磁芯形式。41、罐形磁芯的线包形式答：下面给出几种应用于罐形磁芯的一些线包照片供参考，PCB板有用多层板（最多30层）加工和用双面板多张拼接而成。图七：42、E型磁芯的线包形式答：PCB板在降压型变压器中一般是作为初级来应用，铜皮则作为次级来应用。从图片中我们可以清晰的看到，铜片的厚度比较厚，都是大于1mm以上，而且呈现的是上下夹板形状，目的是为了把PCB板夹紧，能够得到最大的耦合系数，让漏感最小。图八：43、平面变压器的绕组一般采用哪几种形式？答：1）多层PCB板形式：这种结构方式制作简单，组装方便，生产效率高，但PCB板成本较高。2）初级用PCB板，次级三层绝缘线或铜片:这种结构多使用在高压转低压的AC/DC模块电源中，次级输出电流较大（可大于20A），输出功率可做到1-3KW。3）扁平漆包线制作方式:扁平漆包线方式常用在DC/DC模块电源中，一般做输出滤波电感。扁平漆包线比圆形漆包线空间利用率高，适用于低压大电流电源中。4）次级都使用铜片的制作方式:这种方式用在低压大电流的电源中较多。其特点是匝数少，承受电流大，功率可以做到4-10KW，但绝缘和安规比较复杂。44、平面变压器需要什么样的磁性材料？答：在上面的16问中已经涉及到了，再具体的讲：1）就是希望这种磁性材料具有更高的电阻率和更高的居里温度点，这两点对变压器的低温升低功率损耗性能以及让变压器高效率高可靠的稳定工作至关重要；2）希望这种磁材有尽量高的磁导率和饱和磁感应强度。磁导率就意味着所需的激励电流比较小。饱和强度高意味着不容易进入磁芯的饱和区，当然系统工作稳定性就好。3）希望排除温度对电感量的影响，也就是说：希望温度不管是升高还是降低，磁材的电感量不发生变化，即它的特性曲线是一条直线，不要呈现正温度特性，也不要呈现负温度特性；4）希望Q值能够尽量高些。45、满足这几个苛刻条件的磁材现在有吗？答：目前两款最新的功率铁氧体磁材在四川绵阳的久硕磁材科技公司刚被研制成功， 这两种新型的软磁铁氧体材料具备诸多不可思议的神奇性能及优异特点，其中蕴含的重大科技信息不可小觑。这两款功率铁氧体材料将对国内的平面变压器以及无极灯技术产生积极的推动力量，籍此国内的平面变压器及无极灯的功率铁氧体材料市场多了一个强有力的竞争者，会促使我国的开关电源技术和电源产业迎来稍许的一些改变。这两款软磁铁氧体材料其配方及它的制备方法现均已申报国家专利。 这两款磁材都是采用这种新型的镍锌铁氧体制作而成的。其中在制备方法上有很多的创新以及在烧结温度、冷却过程、还有就是添加一些新型的添加剂等等方面都与众不同。这种磁材完全不同于传统的锰锌铁氧体材料，它具有很高的本征电阻率，高达105cm以上，比锰锌铁氧体高出至少3个数量级，这就意味着这种磁芯本身的功率损耗相当低；它还具有十分难得的负温度功耗特性；它的初始磁导率大于1500以上，它的技术指标满足我国的功率铁氧体材料分类的行业标准中“PW4a”的要求，是一款非常优秀的新型功率铁氧体材料。46、是谁人研制成功的呢？答：研发人是三位年龄都已超过60岁的磁材专家、高级工程师，这三位老专家一生就是在干一件事情：反复试验各种不同材料配方、研究它们奇特怪异的参数性能、倒腾形状外观各式各样的软磁铁氧体磁材。其实两年前我对他们就是随口一说，当时正被新研制项目平面变压器和无极灯搞得茶饭不思夜不能入眠，我心中常常在做梦，梦想能够出现一种软磁铁氧体材料，它具有电感负温度特性或是电感量不随温度变化而是呈现一条平坦直线特性，同时它的居里温度点又特别高那该有多绝妙啊！今天，当梦中佳人真的走近到身边来，心中的欢愉溢于言表，实