高頻電子變壓器及其發(fā)展方向

高頻電子變壓器及其發(fā)展方向

摘要：詳細分析了變壓器、電子變壓器、高頻電子變壓器的概念，并從整體結構、磁芯和線圈幾個方面，把高頻電子變壓器的發(fā)展方向具體化。

關鍵詞：高頻電子變壓器；整體結構；磁芯；線圈

0??? 引言

??? 高頻電子變壓器和它的發(fā)展方向，最近成為電子變壓器行業(yè)關注的一個焦點，一本專業(yè)技術雜志（以下簡稱雜志），對這個問題發(fā)表了“專題特寫”，匯集了幾位專業(yè)人士的一些看法。作者也來寫一篇文章，和讀者共同討論，如果有錯誤的地方，敬請批評指正。

1??? 高頻電子變壓器

??? 什么是高頻電子變壓器？有一個準確的定義，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。但是讀了雜志發(fā)表的幾位專業(yè)人士的意見后，把本來明確的高頻電子變壓器的概念，弄得糊涂了。如其中一位專業(yè)人士說：“行業(yè)內(nèi)沒有人準確下定義，也沒有人做過學術的整合，因此，至今也沒有一個準確的定義”。其實，高頻電子變壓器的定義是非常明確的，只不過被雜志上所發(fā)表的一些見解誤導了。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，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，都是通過電磁感應來傳輸能量的。傳輸能量的大小，與變壓器所用的材料、結構、尺寸和工作頻率有關。如果傳輸?shù)哪芰繛槎ㄖ担ぷ黝l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，結構尺寸小。那種認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。雜志專題特寫中有位專業(yè)人士發(fā)表的有關電感器的內(nèi)容，豈不是自己否定自己嗎？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。

??? 再其次，弄清什么是高頻電子變壓器？現(xiàn)在，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（作者注：請按規(guī)范的詞頭，不能自己亂造）。工作頻率幾GHz的開關功率變換電路中的功率變壓器，作者未見過國內(nèi)外的報導，希望雜志能指明其來源。

??? 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。

2??? 高頻電子變壓器的發(fā)展方向

??? 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)有極大的指導意義”，豈不是太容易了嗎？應當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，提出比較詳細的發(fā)展方向，才可能對行業(yè)有一定的指導意義。雜志發(fā)表的專題特寫中，有些專業(yè)人士也發(fā)表了一些具體意見，可惜有的沒作進一步說明，有的只針對“輸出電感器”，即不深入，又不全面，希望雜志能作出比較深入和全面的關于高頻電子變壓器的發(fā)展方向的闡述。

??? 下面作者從高頻電子變壓器的整體結構、磁芯材料和結構、線圈材料和結構幾個方面，提出一些發(fā)展方向的意見，供讀者參考。

2.1??? 整體結構

??? 為適應電子設備愈來愈輕薄短小，高頻電子變壓器一個主要發(fā)展方向是從立體結構向平面結構、片式結構、薄膜結構發(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構的發(fā)展，不但形成新的磁芯結構和線圈結構，采用新的材料，而且對設計方面和生產(chǎn)工藝方面也帶來新的發(fā)展方向。在設計方面，除了要研究各種新結構的電磁場分布，如何達到最佳的優(yōu)化設計，還要研究多層結構的各種問題。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，愈來愈多的應用領域采用空心變壓器。探討空心變壓器的結構、設計方法、制造工藝和應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)在一些領域中得到了實際應用。

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

2.2??? 磁芯材料和結構

??? 磁芯在采用軟磁材料，以電磁感應原理工作的高頻電子變壓器中是最關鍵的部件。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。磁芯結構的主要發(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。

??? 現(xiàn)在各種軟磁材料，都在不斷地改進和開發(fā)，以競爭高頻電子變壓器的市場。

??? 軟磁鐵氧體是現(xiàn)在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仍具有較高磁導率，雖然初始磁導率不高，只有10000左右。高磁導率高飽和磁密材料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，其原理是利用反應物內(nèi)部的化學能來合成材料。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子燒結法（SPS），可以成功地制成多層MnZn鐵氧體和坡莫合金復合軟磁材料磁芯，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率高飽和磁密特性，這種復合軟磁材料磁芯，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。現(xiàn)在硅鋼使用的工作頻率已達到325kHz。

??? 高磁導坡莫合金的特點是磁導率高，環(huán)境適應性好，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，目前在200kHz和1MHz的高頻電子變壓器中大量使用。

??? 軟磁復合材料現(xiàn)在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，也可以利用現(xiàn)在的塑料工程技術，注塑成復雜形狀的磁芯，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合材料的例子，現(xiàn)在已開發(fā)出工作頻率10kHz以上的軟磁復合材料粉芯，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構的發(fā)展要求，磁芯結構的發(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，現(xiàn)在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現(xiàn)在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構，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?，F(xiàn)在希望能把材料開發(fā)，電子變壓器制造和應用單位聯(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)權的薄膜變壓器，作者正在努力促成這項工作。

2.3??? 線圈材料和結構

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

??? 立體結構的高頻變壓器線圈，導線材料由于考慮集膚效應和鄰近效應，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用，取得良好的效果，估計在高頻電子變壓器中也會得到應用。

??? 平面結構線圈，導線采用銅箔，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。

??? 薄膜結構線圈，導線采用銅、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。也有采用多層結構的，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。總之，薄膜變壓器是現(xiàn)在正在大力開發(fā)的高頻電子變壓器，許多結構并不定型，也許，還會出現(xiàn)許多新的線圈結構。

3??? 結語

??? 上面一步一步地分析了變壓器、電子變壓器、高頻電子變壓器的概念，希望能澄清一些誤解。又從整體結構、磁芯材料和結構、線圈材料和結構幾個方面，把高頻電子變壓器的發(fā)展方向具體化，希望能為讀者提供一些參考。

??? 作為亞太地區(qū)唯一集市場資訊與技術于一體的磁性元件專業(yè)期刊，提出討論高頻電子變壓器的發(fā)展方向問題，應當對電子變壓器行業(yè)起到引導作用，但是，必須對發(fā)表的各種意見，進行適當?shù)木庉嫼瓦x擇，以免出現(xiàn)不必要的誤解。如果作一些補充說明，就更好了。這種要求可能是高了一些。在專業(yè)雜志上出現(xiàn)“幾兆kHz”功率變壓器和“磁滯伸縮系數(shù)”這樣基本概念的錯誤，不能不表示遺憾。

??? 從雜志分為市場資訊版和技術版以來。類似這篇文章中的誤解和誤導還有不少，其中有一篇文章，連專業(yè)人士讀后都難于理解，不知廣大讀者會怎么看？只能說明雜志的技術版也好，市場資訊版也好，編輯都應對專業(yè)技術問題有所了解，才會使雜志對電子變壓器行業(yè)起到一定的引導作用。如果要有“極大的指導意義”，更需要“極大的”努力才行。這也算是作者的一點希望吧！