电子变压器的发展方向

1、.：.；电源中电子变压器的一些新进展近年来，电源中电子变压器所用的铁心资料和导电资料价钱延续上涨，上游原资料构成卖方市场。作为下游的电子变压器的电源用户，可以在全球范围内选择和采购，构成买方市场。处于中间位置的电子变压器行业，只需走技术创新之路，才干摆脱这种两头受气的姿态。然而，在成熟的电子变压器行业里，技术创新比较困难。但是每一个细小环节的改良，就可以带来新的理念和新的产品。因此，本文重新资料、新构造、新原理、新产品四个方面引见近年来电源中电子变压器的一些新进展，供读者参考，假设有什么不当之处敬请指正。 走技术创新之路，要时辰记住要到达的目的。电源中的电子变压器，象一切作为商品的产品一样进展

2、任何技术创新，都必需在详细运用条件下完成详细功能中，追求性能价钱比最好。如今的电源产品，普遍以“轻、薄、短、小为特点向小型化和便携化开展。电子变压器必需顺应作为用户的电源产品对体积和分量的要求。同时，电子变压器的原资料铁心资料和导电资料价钱上涨。因此，如何减小体积和分量，如何降低本钱，成为近年来电子变压器开展的主要方向。 1 新资料 1.1 硅钢 硅钢是工频电源中电子变压器大量运用的铁心资料。要减少电子变压器中的铁心用量，必需提高硅钢的任务磁通密度任务磁密。硅钢的任务磁密既决议于饱和磁通密度，又决议于损耗。由于效率是电子变压器的重要性能目的，如今，为了节能，许多电源产品都提出待机损耗要求。电子

3、变压器的铁心损耗是待机损耗的主要组成部分，因此，都对电子变压器的效率或损耗提出明确的严厉要求。 近年来，取向和无取向冷轧硅钢价钱上涨，卷绕式环形铁心，相比于R型、CD型和EI 型铁心，由于耗费资料少，可以节约20%以上的铁心资料本钱，扩展了电子变压器中的运用范围。卷绕式环形铁心可以充分发扬取向冷轧硅钢的性能，与无取向冷轧钢相比，任务磁密要高得多。同时不象R型、CD型和EI 型的铁心那样，可以充分利用硅钢资料，不会有边角废料，资料利用率可以到达98%以上。 近年来，冷轧取向硅钢有相当大的改良。国产23Q110 的0.23mm取向冷轧硅钢，在任务磁通密度1.7 T和50 Hz 下，单位分量损耗为1

4、.10 W/kg。日本产的0.23 mm 厚度的取向冷轧硅钢P1.7/50 为0.88W/kg。硅钢带材外表处置后涂张力涂层，P1.7/50下降到0.7W/kg。改动退火工艺，细化磁畴，P1.7/50再下降到0.550.45W/kg，远远低于0.35mm厚无取向冷轧硅钢在任务磁密1.5T和50Hz 下P1.5/50的2W/kg。在保证同样损耗条件下，0.23mm 厚度取向冷轧硅钢任务磁密度可以到达1.85T，假设选取它加工环形铁心，比用无取向冷轧硅钢的任务磁密1.5 T 高1.23 倍，铁心截面和体积可减少23%以上。 如今手机充电器和家用电器的电源适配器中，大量运用EI 型铁心工频电源变压器

5、，有时会出现过热景象。EI 型铁心由EI 形冲片叠成，E 形冲片中有五分之一长度与纵向取向方向正交，要接受横向磁场，普通都用无取向冷轧硅钢。近年来日本川崎公司开发出可用于EI 型铁心的RGE系列取向冷轧硅钢，厚度为0.35 mm，纵向饱和磁密为1.801.90 T，横向饱和磁密为1.825T，损耗P1.7/50为1.101.25W/kg。同时，绝缘膜比较薄，冲压加工性能良好，用它制造铁心，任务磁密可取1.7T以上，比用无取向冷轧硅钢高15%，铁心截面和体积可以减少15%以上，损耗也大大下降，不会再出现过热景象。日本川崎公司还开发出饱和磁密高的无取向冷轧钢，厚度为0.5mm，硅含量小于1%，为0

6、.6%，铝含量为0.3%，加0.52%镍后，饱和磁密为1.96T，损耗P1.5/50为3W/kg。采用它作为EI型铁心资料，任务磁密也可取1.7T，但损耗较大。 值得留意的是：作为电子变压器一大类的工频变压器，采用任务磁密高的铁心资料后，可以不减少铁心截面和体积，而是减少线圈匝数，减少用铜量。在如今铜材价钱远远高于铁心资料的情况下，能够是更好的一种设计改良方案。 1.2 软磁铁氧体 软磁铁氧体是中、高频电源中电子变压器大量运用的铁心资料，和金属软磁资料相比，软磁铁氧体的饱和磁密低，磁导率低，居里温度低，是它的几大弱点。尤其是居里温度低，饱和磁密Bs和单位体积功率损耗Pcv 都会随温度变化。温度

7、上升，Bs下降，Pcv 开场下降，到谷点后再升高。因此在高温条件下，只需Bs坚持较高程度，就可以把任务磁密Bm选得高一些，从而减少线圈匝数，降低用铜量和本钱。高温高饱和磁密软磁铁氧体资料，还可以扩展电子变压器运用的温度上限到120益甚至150益。例如，汽车用电子设备中的高频电子变压器，在外界温度条件变化大和发动机室发热的高温条件下任务，就必需采用高温高饱和磁密软磁铁氧体。 作为中、高频电子变压器用的MnZn 软磁铁氧体，以日本TDK 公司为代表，大致阅历了PC30PC40PC44PC50PC47PC95PC90的开展过程。在100、100kHz、200mT 测试条件下，单位体积功率损耗不断下降

8、。根据该公司2006年4 月份公布的数据，PC30 为600mW/cm3；PC40 为420 mW/cm3；PC44 为340 mW/cm3；PC47为270 mW/cm3。但是100益下的饱和磁密Bs，PC30、PC40、PC44 根本上都为390 mT，PC47 为410 mT，与实际值600 mT 相差甚远，不能以为是高温高饱和磁密资料。 近年来，为了在电子变压器运用领域和金属软磁资料竞争，兴起一轮开发高温高饱和磁密MnZn 铁氧体资料的热潮。日本FDK公司于2003年3 月份开发出4H 系列高温高饱和磁密资料。其中4H45 和4H47 在25下，Bs 分别为520 mT和530mT，1

9、00下分别为450mT和470mT，但在100下，功率损耗Pcv比较高，分别为450mW/cm3和 650mW/ cm3。据称，FDK 公司在实验室条件下开发出4H50 资料，100下Bs 为490 mT，但是Pcv相当大，为800mW/ cm3。日本TDK公司于2004 年9月开发出PC90 资料，在25下，Bs为540mT，Pcv为680 mW/ cm3；在100下，Bs 为450 mT，Pcv 为320mW/ cm3，高于4H45 资料程度。TOKIN公司开发出BH3 资料，在25下，其Bs 为540 mT，Pcv 为600 mW/ cm3；而在100下，Bs 为440 mT，Pcv 为

10、370 mW/ cm3。NICERA公司开发出BM30 资料，25下Bs 为540 mT，Pcv 为720 mW/ cm3；在100下，Bs为450mT，Pcv为320mW/ cm3。日立金属公司开发出来的高铁低锌铁氧体资料，Bs在25下，为563 mT；在100下为560 mT，根本不变，150为490 mT，但是在100、100 kHz、200 mT 测试条件下，Pcv为1700mW/ cm3，偏高，需求改良。 许多电源设备不但要求电子变压器在任务形状下，也就是在高温时损耗要小，同时还要求待机情况下，也就是在常温时损耗也要小。这些电子变压器可以采用宽温低功耗软磁铁氧体。日本TDK公司开发的

11、PC95 就是近年来出现的高程度宽温铁氧体资料。25时，功耗Pcv为350mW/ cm3，80时为280mW/ cm3，100为290mW/ cm3，120时为350mW/ cm3，在100时饱和磁密为410mT。 近年来，还开发出一系列高磁导率软磁铁氧体资料，作为电子电源设备中脉冲变压器用的，要求磁导率相对较高，有TDK 公司的H5C3，为15 00030%，H5C5，为30 00030%。EPCOS公司的T56，为2000030%。作为电磁干扰滤波用的，要求磁导率频率特性好，有TDK 公司HS52，为5 50025%；HS72，为7 50025%；HS10，为1000025%。HITACH

12、I公司的MP15T，为1500025%，都可以在500kHz 以下任务。作为直流滤波用的，要求直流叠加特性好，有TDK公司的DN45，为450025%，运用温度070，和改良后的DNW45，为4 20025%，运用温度-40+85，川崎公司的SK-202G，运用温度-40+85，为430025%，以及高饱和磁密高磁导率资料，如TDK 公司的DN50，为5 20020%，Bs在25时为550 mT，100时为380 mT，居里温度Tc210。 1.3 非晶和纳米晶合金 自2005年初起，由于取向冷轧硅钢带材国内供需不平衡，取向冷轧硅钢带资料价钱迅速上涨，如今已超越铁基非晶合金带材的价钱。在如今这

13、个市场价钱条件下，铁基非晶合金在工频电源变压器领域中替代取向冷轧硅钢，不再只是能够的事情，曾经变成了现实。在电力变压器行业，配电变压器消费厂纷纷把铁心资料从取向冷轧硅钢转向铁基非晶合金。同时，从2006 年7 月1 日起，强迫性国家规范“配电变压器的能效限定值及节能评价值正式实施，更加推进了配电变压器中用铁基非晶合金替代取向冷轧硅钢的热潮。和配电变压器一样，工频电源变压器中铁基非晶合金替代取向冷轧硅钢，将会成为电源中电子变压器的一个主要的新进展。为什么呢？从表1 中取向冷轧硅钢与铁基非晶合金技术经济目的对比就可以看出其中的缘由。 表1 中取向冷轧硅钢以日本消费的高磁感23R100和磁畴处置23

14、R085 为例，铁基非晶合金以国内消费的1K101 和日本日立公司消费的Metglas 2605SA1 为例，从表1 中可以看出以下特点。 1铁基非晶合金的饱和磁密Bs 比硅钢低，但是在同样的任务磁密Bm例如1.4T下损耗比硅钢低。铁基非晶合金的任务磁密Bm，单相变压器取1.401.45T，三相变压器取1.351.40T。硅钢任务磁密Bm，单相变压器取1.70T，三相变压器取1.651.70T，同样容量的工频变压器用铁基非晶合金的分量是用硅钢的120%左右。2铁基非晶合金的填充系数对国内消费的1K101 为0.85，对日本日立公司消费的Metglas 2605SA1 为0.86-0.90 ，个

15、别的已到达0.93。假设用0.86 与硅钢的0.945 相比，同样分量的铁基非晶合金铁心体积为硅钢的110%左右。3铁基非晶合金在1.4T和50Hz条件下的单位分量损耗为P1.4/50，只需硅钢的26.4%43%，可以显著减少铁心发热。在同 样损耗和同样散热条件下，铁基非晶合金工频变压器可以比硅钢工频变压器降低铜损，减少铜材，在如今铜材价钱高于铁材价钱条件下，采取这种方案是一种降低本钱的有效措施。值得留意的是，单位分量损耗P1.4/50是在畸变小于2%正弦波电压下测试的。而实践的工频电网畸变为5%。在这种畸变下的单位分量损耗P1.4/50忆，硅钢为123%P1.4/50，铁基非晶合金为106%

16、P1.4/50，这时，铁基非晶品合金的P1.4/50忆只需硅钢的22.7%37%。高频电子变压器的开展方向高频电子变压器的开展方向高频电子变压器的最大特点就是高频化。从变压器的任务原理来看，提高任务频率，可以减少变压器的体积和分量，也就是实现短小轻薄化，从而提高单位体积(或分量)传输功率，也就是高功率密度化。这些都是高频电子变压器本身固有的特点和直接带来的结果，而不能简单地把高频化、短小轻薄化、高功率密度化，作为高频电子变压器的开展方向。下面从高频电子变压器的整体构造、磁芯资料和构造、线圈资料和构造几个方面，提出一些开展方向的意见。1 整体构造为顺应电子设备愈来愈轻薄短小，高频电子变压器一个主

17、要开展方向是从立体构造向平面构造、片式构造、薄膜构造开展，从而构成一代又一代的新的高频电子变压器：平面变压器、片式变压器、薄膜变压器。高频电子变压器的整体构造的开展，不但构成新的磁芯构造和线圈构造，采用新的资料，而且对设计方面和消费工艺方面也带来新的开展方向。在设计方面，除了要研讨各种新构造的电磁场分布，如何到达最正确的优化设计，还要研讨多层构造的各种问题。在消费工艺方面，要研讨各种新的加工方法，从而保证性能的一致性和实现加工工艺的机械化和自动化等。在MHz级高频电子变压器中，愈来愈多的运用领域采用空心变压器。讨论空心变压器的构造、设计方法、制造工艺和运用特点也是其研讨和开展方向。另外，压电变

18、压器等新任务原理的高频电子变压器的研讨也是开展方向，经过近十年的研讨开发，压电变压器曾经在一些领域中得到了实践运用。采用计算机对整体构造方案进展优化和详细设计，是如今各种电子器件的主要开展方向之一，当然也是高频电子变压器的一个主要开展方向。这样可以缩短设计时间，减少资料用量，缩短消费周期，降低本钱。2 磁芯资料和构造磁芯在采用软磁资料，以电磁感应原理任务的高频电子变压器中是最关键的部件。磁芯资料的主要开展方向是降低损耗，加宽运用的温度范围和降低本钱。磁芯构造的主要开展方向是如何构成外形和尺寸最正确(对电磁性能、散热、用量和本钱等参数)的平面磁芯、片式磁芯和薄膜磁芯。如今各种软磁资料，都在不断地

19、改良和开发，以竞争高频电子变压器的市场。软磁铁氧体是如今高频电子变压器运用的主要磁芯资料，开展方向是开发性能更好的新种类和降低本钱的新工艺。在资料新种类方面，日本TDK公司在2003年开发出宽温低损耗资料PC95，在25120温度范围内损耗都小于350mW/cm3(在100kHz200mT条件下)。在80时损耗最小，为280mW/cm3。25时Bs为540mT，100时，Bs为420mT。还开发出高温高饱和磁密资料PE33，居里点Tc290，在100下，Bs为450mT。在100，100kHz200mT条件下，Pc1100mW/cm3，日本FDK公司，德国EPCOS公司、Ferrocube公司

20、也开发出类似的高温高饱和磁密资料。高磁导率资料也有许多新种类，如TDK公司的脉冲变压器用H5C5，i为30000左右。抗电磁干扰电感器用HS10，同时具有良好的频率特性和阻抗特性，在500kHz仍具有较高磁导率，虽然初始磁导率不高，只需10000左右。高磁导率高饱和磁密资料DN50，在25时Bs为550mT，在100时Bs为380mT，i为5200左右，居里温度Tc210。在新工艺方面，自蔓延高温合成法(SHS)是近年来的研讨热点，其原理是利用反响物内部的化学能来合成资料。整个工艺极为简单，能耗低，消费效率与产品纯度高，对环境无污染，曾经胜利合成Mg、MgZn、MnZn、NiZn铁氧体，正在实

21、现产业化。火花等离子烧结法(SPS)，可以胜利地制成多层MnZn铁氧体和坡莫合金复合软磁资料磁芯，同时具有MnZn铁氧体的高频低损耗特性和坡莫合金的高磁导率高饱和磁密特性，这种复合软磁资料磁芯，将使高频电子变压器的性能明显地提高。其他工艺如自熄灭合成法、快速熄灭合成法、水热合成法、新型水热合成法、机械合金法、微波烧结等，近年来均开展了大量研讨，都符合提高性能和降低本钱的开展方向。由于软磁铁氧体的饱和磁密低，在20kHz100kHz的较高频范围内，性能价钱比的优势不如100kHz以上的高频范围那样明显，其他几种软磁资料在20kHz100kHz的较高频范围内，与软磁铁氧体展开猛烈的竞争。各种软磁资

22、料都有各自的特点，因此，如何在详细的高频电子变压器产品中，充分发扬各种软磁资料的优点以到达更好的性能价钱比，是高频电子变压器所用的软磁资料的开展方向。硅钢的特点是饱和磁密高，性能稳定，价钱较低，近年来开展了一系列高频用硅钢，包括超薄带硅钢、6.5%硅钢、梯度硅钢和含铬的硅钢。特别是含铬的硅钢曾经用于25kHz和70kHz的电子变压器中。如今硅钢运用的任务频率已到达325kHz。高磁导坡莫合金的特点是磁导率高，环境顺应性好，但是价钱贵，近年来开展的坡莫合金超薄带，运用的任务频率已超越1MHz，在特殊要求的地方和军工设备中运用。钴基非晶合金是现有软磁资料中高频损耗最低的一种资料，价钱贵，但是，在2

23、00kHz以上的高频中运用，磁芯分量小，价钱要素不突出，目前在200kHz和1MHz的高频电子变压器中大量运用。软磁复合资料如今成为高频电子变压器用磁芯资料的一大开展方向，它与传统的软磁铁氧体和软磁合金相比，其磁性金属粒子或者薄膜，可以分布在非导体和其他资料中，使高频损耗明显降低，提高了任务频率。同时，其加工工艺既可采用热压法加工成粉芯，也可以利用如今的塑料工程技术，注塑成复杂外形的磁芯，具有密度小、分量轻、消费效率高、本钱低，产品反复性和一致性好等特点。还可以采用不同的配比，改动磁性。上面已引见软磁铁氧体和坡莫合金组成的复合资料的例子，如今已开发出任务频率10kHz以上的软磁复合资料粉芯，在高频用滤波电感器中可替代软磁铁氧体。根据高频电子变压器整体构造的开展要求，磁芯构造的开展方向是平面磁芯、片式磁芯和薄膜磁芯。