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準(zhǔn)確的定義,就是工作頻率高的電子變壓器,一般工作頻率高于20kHz,就是高頻。

高頻電子變壓器的定義是非常明確的,只不過被國內(nèi)一部分專家發(fā)表的一些見解誤導(dǎo)了。下面為了還高頻電子變壓器的本來面目,有必要弄清變壓器、電子變壓器、高頻電子變壓器的概念,以便消除那些誤解?

首先,弄清什么是變壓器?以電磁感應(yīng)原理工作的變壓器,是指在線圈原邊繞組加交變電壓,產(chǎn)生交變磁通,在副邊繞組感生輸出電壓,從而起到傳輸能量,變換電壓(或信號),電氣絕緣隔離的作用。

要產(chǎn)生電磁感應(yīng),原邊繞組必須加交變電壓,不可能有直流電壓作工作電源的變壓器。那種把直流電壓作工作電源的說法,是把直流變交流的逆變器,或者變頻電源包括在變壓器的范圍內(nèi)的一種誤解。

只要有電磁感應(yīng)存在,變壓器就可以工作,而不一定要有磁芯,例如,工作頻率為MHz級的電子變壓器,就是由印刷電路板制作的空心變壓器。那種把高頻電子變壓器說成是"用在具有變頻電路中的磁性變壓器件"的說法,屬于既把變頻電路包括在變壓器范圍內(nèi),又認(rèn)為變壓器一定要有磁芯的雙重誤解。

變壓器不論工作頻率高低,都是通過電磁感應(yīng)來傳輸能量的。傳輸能量的大小,與變壓器所用的材料、結(jié)構(gòu)、尺寸和工作頻率有關(guān)。如果傳輸?shù)哪芰繛槎ㄖ?工作頻率高,在一定時間內(nèi)傳輸能量的次數(shù)多,每一次傳輸?shù)哪芰靠梢陨?則變壓器用的材料少,結(jié)構(gòu)尺寸小。那種認(rèn)為變壓器傳輸能量有限,要用高頻來增加傳輸能量的說法,是一種本末倒置的誤解。用脈寬調(diào)制(PWM)方式改變變壓器傳輸能量和電壓大小,只是一種外加控制方法,不單高頻變壓器可以用,低頻變壓器也可以用。那種認(rèn)為有PWM控制后,高頻變壓器和低頻變壓器傳輸能量方式有差異,高頻變壓器和低頻變壓器改變電壓的方式有差異的說法,也是一種誤解。

其次,弄清什么是電子變壓器?電子變壓器是在電子電路和電子設(shè)備中使用的變壓器。如果把范圍擴大一些,包括所有電子電路和電子設(shè)備中使用的變壓器、電感器、互感器等電磁元件。電子并不只限于功率電子(國內(nèi)更通用的術(shù)語是電力電子),還包括工業(yè)電子、信息電子、無線電子和微電子,電子變壓器雖然區(qū)別于電力變壓器,但是并不區(qū)別于射頻信號變壓器,也不只限于"開關(guān)功率變換器電路中的功率變壓器"。功率變壓器只是電子變壓器中的一種。如果把電子變壓器只看成功率變壓器,難免會畫地為牢。所以,把電子只限于功率電子,把電子變壓器只限于功率變壓器的說法是一種誤解。

再次,弄清什么是高頻電子變壓器?對電子變壓器工作頻率的高、中、低劃分有一個通行的說法,即工作頻率50Hz或60Hz叫工頻,或者在它以下的叫低頻;60Hz至20kHz叫中頻,400Hz是中頻,而不是工頻;20kHz以上叫高頻。為什么選20kHz為界限?因為,20kHz是聲頻上限,超過它就聽不見可聞噪聲。所以,工作頻率超過20kHz,從20kHz起到MHz級、GHz級是高頻。那種把"應(yīng)用頻率范圍從幾十kHz到幾兆kHz的"電子變壓器的提法,有兩個誤解:一個是20kHz,不同于幾十kHz。一個是幾GHz,不是幾兆kHz(注:請按規(guī)范的詞頭,不能自己亂造)。

高頻中還可以劃分成較高頻(20kHz~50kHz)、中高頻(50kHz~200kHz)、高頻(200kHz~1MHz)、超高頻(1MHz以上),但都屬于高頻,并不因為適用的功率不同,而對高頻有不同的理解。那種對不同功率下,高頻有不同范圍的說法,是一種誤解。

為適應(yīng)電子設(shè)備愈來愈輕薄短小,高頻電子變壓器一個主要發(fā)展方向是從立體結(jié)構(gòu)向平面結(jié)構(gòu)、片式結(jié)構(gòu)、薄膜結(jié)構(gòu)發(fā)展,從而形成一代又一代的新的高頻電子變壓器:平面變壓器、片式變壓器、薄膜變壓器。高頻電子變壓器的整體結(jié)構(gòu)的發(fā)展,不但形成新的磁芯結(jié)構(gòu)和線圈結(jié)構(gòu),采用新的材料,而且對設(shè)計方面和生產(chǎn)工藝方面也帶來新的發(fā)展方向。在設(shè)計方面,除了要研究各種新結(jié)構(gòu)的電磁場分布,如何達到最佳的優(yōu)化設(shè)計,還要研究多層結(jié)構(gòu)的各種問題。在生產(chǎn)工藝方面,要研究各種新的加工方法,從而保證性能的一致性和實現(xiàn)加工工藝的機械化和自動化等。

在MHz級高頻電子變壓器中,愈來愈多的應(yīng)用領(lǐng)域采用空心變壓器。探討空心變壓器的結(jié)構(gòu)、設(shè)計方法、制造工藝和應(yīng)用特點也是其研究和發(fā)展方向。另外,壓電變壓器等新工作原理的高頻電子變壓器的研究也是發(fā)展方向,經(jīng)過近十年的研究開發(fā),壓電變壓器已經(jīng)在一些領(lǐng)域中得到了實際應(yīng)用。

采用計算機對整體結(jié)構(gòu)方案進行優(yōu)化和具體設(shè)計,是各種電子器件的主要發(fā)展方向之一,當(dāng)然也是高頻電子變壓器的一個主要發(fā)展方向。這樣可以縮短設(shè)計時間,減少材料用量,縮短生產(chǎn)周期,降低成本。

磁芯在采用軟磁材料,以電磁感應(yīng)原理工作的高頻電子變壓器中是最關(guān)鍵的部件。磁芯材料的主要發(fā)展方向是降低損耗,加寬使用的溫度范圍和降低成本。磁芯結(jié)構(gòu)的主要發(fā)展方向是如何形成形狀和尺寸最佳(對電磁性能、散熱、用量和成本等參數(shù))的平面磁芯、片式磁芯和薄膜磁芯。

各種軟磁材料,都在不斷地改進和開發(fā),以競爭高頻電子變壓器的市場。

軟磁鐵氧體是高頻電子變壓器使用的主要磁芯材料,發(fā)展方向是開發(fā)性能更好的新品種和降低成本的新工藝。在材料新品種方面,日本TDK公司在2003年開發(fā)出寬溫低損耗材料PC95,在25℃~120℃溫度范圍內(nèi)損耗都小于350mW/cm3(在100kHz×200mT條件下)。在80℃時損耗最小,為280mW/cm3。25℃時Bs為540mT,100℃時,Bs為420mT。還開發(fā)出高溫高飽和磁密材料PE33,居里點Tc>290℃,在100℃下,Bs為450mT。在100℃,100kHz×200mT條件下,Pc≤1100mW/cm3,日本FDK公司,德國EPCOS公司、Ferrocube公司也開發(fā)出類似的高溫高飽和磁密材料。

高磁導(dǎo)率材料也有許多新品種,如TDK公司的脈沖變壓器用H5C5,μi為30000左右�？闺姶鸥蓴_電感器用HS10,同時具有良好的頻率特性和阻抗特性,在500kHz仍具有較高磁導(dǎo)率,雖然初始磁導(dǎo)率不高,只有10000左右。高磁導(dǎo)率高飽和磁密材料DN50,在25℃時Bs為550mT,在100℃時Bs為380mT,μi為5200左右,居里溫度Tc≥210℃。

在新工藝方面,自蔓延高溫合成法(SHS)是近年來的研究熱點,其原理是利用反應(yīng)物內(nèi)部的化學(xué)能來合成材料。整個工藝極為簡單,能耗低,生產(chǎn)效率與產(chǎn)品純度高,對環(huán)境無污染,已經(jīng)成功合成Mg、MgZn、MnZn、NiZn鐵氧體,正在實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化�；鸹ǖ入x子燒結(jié)法(SPS),可以成功地制成多層MnZn鐵氧體和坡莫合金復(fù)合軟磁材料磁芯,同時具有MnZn鐵氧體的高頻低損耗特性和坡莫合金的高磁導(dǎo)率高飽和磁密特性,這種復(fù)合軟磁材料磁芯,將使高頻電子變壓器的性能明顯地提高。其他工藝如自燃燒合成法、快速燃燒合成法、水熱合成法、新型水熱合成法、機械合金法、微波燒結(jié)等,近年來均開展了大量研究,都符合提高性能和降低成本的發(fā)展方向。

由于軟磁鐵氧體的飽和磁密低,在20kHz~100kHz的較高頻范圍內(nèi),性能價格比的優(yōu)勢不如100kHz以上的高頻范圍那樣明顯,其他幾種軟磁材料在20kHz~100kHz的較高頻范圍內(nèi),與軟磁鐵氧體展開激烈的競爭。各種軟磁材料都有各自的特點,因此,如何在具體的高頻電子變壓器產(chǎn)品中,充分發(fā)揮各種軟磁材料的優(yōu)點以達到更好的性能價格比,是高頻電子變壓器所用的軟磁材料的發(fā)展方向。

硅鋼的特點是飽和磁密高,性能穩(wěn)定,價格較低,近年來發(fā)展了一系列高頻用硅鋼,包括超薄帶硅鋼、6.5%硅鋼、梯度硅鋼和含鉻的硅鋼。特別是含鉻的硅鋼已經(jīng)用于25kHz和70kHz的電子變壓器中。硅鋼使用的工作頻率已達到325kHz。

高磁導(dǎo)坡莫合金的特點是磁導(dǎo)率高,環(huán)境適應(yīng)性好,但是價格貴,近年來發(fā)展的坡莫合金超薄帶,使用的工作頻率已超過1MHz,在特殊要求的地方和軍工設(shè)備中使用。鈷基非晶合金是現(xiàn)有軟磁材料中高頻損耗最低的一種材料,價格貴,但是,在200kHz以上的高頻中使用,磁芯重量小,價格因素不突出,在200kHz和1MHz的高頻電子變壓器中大量使用。

軟磁復(fù)合材料成為高頻電子變壓器用磁芯材料的一大發(fā)展方向,它與傳統(tǒng)的軟磁鐵氧體和軟磁合金相比,其磁性金屬粒子或者薄膜,可以分布在非導(dǎo)體和其他材料中,使高頻損耗明顯降低,提高了工作頻率。同時,其加工工藝既可采用熱壓法加工成粉芯,也可以利用的塑料工程技術(shù),注塑成復(fù)雜形狀的磁芯,具有密度小、重量輕、生產(chǎn)效率高、成本低,產(chǎn)品重復(fù)性和一致性好等特點。還可以采用不同的配比,改變磁性。上面已介紹軟磁鐵氧體和坡莫合金組成的復(fù)合材料的例子,已開發(fā)出工作頻率10kHz以上的軟磁復(fù)合材料粉芯,在高頻用濾波電感器中可代替軟磁鐵氧體。

根據(jù)高頻電子變壓器整體結(jié)構(gòu)的發(fā)展要求,磁芯結(jié)構(gòu)的發(fā)展方向是平面磁芯、片式磁芯和薄膜磁芯。平面磁芯以前有的是用原來的軟磁鐵氧體磁芯進行改造,已有專門用于平面變壓器的各種低高度軟磁鐵氧體磁芯。將來還可能開發(fā)出各種低高度軟磁復(fù)合材料磁芯。片式變壓器的磁芯除了將平面磁芯進一步壓縮而外,也有采用共燒法制造的片式磁芯。薄膜磁芯和磁性材料是高頻電子變壓器最活躍的發(fā)展方向之一,將成為MHz以上高頻電子變壓器的主要磁芯材料和結(jié)構(gòu),有可能將薄膜電子變壓器的高度做到1mm以下,可以裝入各種卡片內(nèi)。國內(nèi)已建立幾個中心在大力研究。希望能把材料開發(fā),電子變壓器制造和應(yīng)用單位聯(lián)合起來,盡快把國內(nèi)開發(fā)出的薄膜軟磁材料變成電子信息產(chǎn)品中的高頻電子變壓器磁芯,形成國內(nèi)有自主知識產(chǎn)權(quán)的薄膜變壓器,作者正在努力促成這項工作。

隨著高頻電子變壓器整體結(jié)構(gòu)的發(fā)展,線圈結(jié)構(gòu)主要的發(fā)展方向是平面線圈,片式線圈和薄膜線圈,其中又包括多層結(jié)構(gòu)。各種線圈結(jié)構(gòu)的材料選用,也有一些新發(fā)展。

立體結(jié)構(gòu)的高頻變壓器線圈,導(dǎo)線材料由于考慮集膚效應(yīng)和鄰近效應(yīng),采用多股絞線(里茲線),有時也采用扁銅線和銅帶。絕緣材料采用耐熱等級高的材料,以便提高允許溫升和縮小線圈體積,采用雙層和三層絕緣導(dǎo)線,可以減少線圈尺寸。舉一個例子,最近,國內(nèi)開發(fā)出以納米技術(shù)把云母泳涂在銅線上的C級絕緣電磁線,已經(jīng)在工頻電機和變壓器中應(yīng)用,取得良好的效果,估計在高頻電子變壓器中也會得到應(yīng)用。

平面結(jié)構(gòu)線圈,導(dǎo)線采用銅箔,大多數(shù)采用單層和多層印刷電路板制造,也有采用一定圖形的銅箔,多個折疊而成的。絕緣材料一般采用B級材料。

薄膜結(jié)構(gòu)線圈,導(dǎo)線采用銅、銀和金薄膜,制成梳形、螺旋形、運動場形等圖形,絕緣材料采用H級和C級材料。也有采用多層結(jié)構(gòu)的,或者是幾個多層線圈組合起來,或者是幾個線圈和幾個磁芯交叉重疊而成�？傊�,薄膜變壓器是正在大力開發(fā)的高頻電子變壓器,許多結(jié)構(gòu)并不定型,也許,還會出現(xiàn)許多新的線圈結(jié)構(gòu)。

高頻電子變壓器的最大特點就是高頻化。從變壓器的工作原理來看,提高工作頻率,可以減少變壓器的體積和重量,也就是實現(xiàn)短小輕薄化,從而提高單位體積(或重量)傳輸功率,也就是高功率密度化。這些都是高頻電子變壓器本身固有的特點和直接帶來的結(jié)果,而不能簡單地把高頻化、短小輕薄化、高功率密度化,作為高頻電子變壓器的發(fā)展方向。如果提幾個"化"的口號,就能"對電子變壓器行業(yè)有極大的指導(dǎo)意義",豈不是太容易了嗎?應(yīng)當(dāng)從高頻化給電子變壓器帶來一系列問題,通過解決這些問題,從而提高性能降低成本,也就是追求最好的性能價格比為出發(fā)點,提出比較詳細(xì)的發(fā)展方向,才可能對行業(yè)有一定的指導(dǎo)意義。