電源技術(shù)與電子變壓器

    引言
　　電源裝置，無論是直流電源還是交流電源，都要使用由軟磁磁芯制成的電子變壓器（軟磁電磁元件）。雖然，已經(jīng)有不用軟磁磁芯的空芯電子變壓器和壓電陶瓷變壓器，但是，到現(xiàn)在為止，絕大多數(shù)的電源裝置中的電子變壓器，仍然使用軟磁磁芯。因此，討論電源技術(shù)與電子變壓器之間的關(guān)系：電子變壓器在電源技術(shù)中的作用，電源技術(shù)對電子變壓器的要求，電子變壓器采用新軟磁材料和新磁芯結(jié)構(gòu)對電源技術(shù)發(fā)展的影響，一定會引起電源行業(yè)和軟磁材料行業(yè)的朋友們的興趣。本文提出一些看法，以便促成電源行業(yè)與電子變壓器行業(yè)和軟磁材料行業(yè)之間就電子變壓器和軟磁材料的有關(guān)問題進(jìn)行對話，互相交流，共同發(fā)展。
　　1 電子變壓器在電源技術(shù)中的作用
　　電子變壓器和半導(dǎo)體開關(guān)器件，半導(dǎo)體整流器件，電容器一起，稱為電源裝置中的4大主要元器件。根據(jù)在電源裝置中的作用，電子變壓器可以分為：
　　1）起電壓和功率變換作用的電源變壓器，功率變壓器，整流變壓器，逆變變壓器，開關(guān)變壓器，脈沖功率變壓器；
　　2）起傳遞寬帶、聲頻、中周功率和信號作用的寬帶變壓器，聲頻變壓器，中周變壓器；
　　3）起傳遞脈沖、驅(qū)動和觸發(fā)信號作用的脈沖變壓器，驅(qū)動變壓器，觸發(fā)變壓器；
　　4）起原邊和副邊絕緣隔離作用的隔離變壓器，起屏蔽作用的屏蔽變壓器；
　　5）起單相變?nèi)嗷蛉嘧儐蜗嘧饔玫南鄶?shù)變換變壓器，起改變輸出相位作用的相位變換變壓器（移相器）；
　　6）起改變輸出頻率作用的倍頻或分頻變壓器；
　　7）起改變輸出阻抗與負(fù)載阻抗相匹配作用的匹配變壓器；
　　8）起穩(wěn)定輸出電壓或電流作用的穩(wěn)壓變壓器（包括恒壓變壓器）或穩(wěn)流變壓器，起調(diào)節(jié)輸出電壓作用的調(diào)壓變壓器；
　　9）起交流和直流濾波作用的濾波電感器；
　　10）起抑制電磁干擾作用的電磁干擾濾波電感器，起抑制噪聲作用的噪聲濾波電感器；
　　11）起吸收浪涌電流作用的吸收電感器，起減緩電流變化速率的緩沖電感器；
　　12）起儲能作用的儲能電感器，起幫助半導(dǎo)體開關(guān)換向作用的換向電感器；
　　13）起開關(guān)作用的磁性開關(guān)電感器和變壓器；
　　14）起調(diào)節(jié)電感作用的可控電感器和飽和電感器；
　　15）起變換電壓、電流或脈沖檢測信號的電壓互感器、電流互感器、脈沖互感器、直流互感器、零磁通互感器、弱電互感器、零序電流互感器、霍爾電流電壓檢測器。從以上的列舉可以看出，不論是直流電源，交流電源，還是特種電源，都離不開電子變壓器。有人把電源界定為經(jīng)過高頻開關(guān)變換的直流電源和交流電源。在介紹軟磁電磁元件在電源技術(shù)中的作用時，往往舉高頻開關(guān)電源中的各種電磁元件為例證。同時，在電子電源中使用的軟磁電磁元件中，各種變壓器占主要地位，因此用變壓器作為電子電源中軟磁元件的代表，稱它們?yōu)?ldquo;電子變壓器”。
2 電源技術(shù)對電子變壓器的要求
　　電源技術(shù)對電子變壓器的要求，像所有作為商品的產(chǎn)品一樣，是在具體使用條件下完成具體的功能中追求性能價格比最好。有時可能偏重價格和成本，有時可能偏重效率和性能。現(xiàn)在，輕、薄、短、小成為電子變壓器的發(fā)展方向，是強(qiáng)調(diào)降低成本。從總的要求出發(fā)，可以對電子變壓器得出四項(xiàng)具體要求：使用條件，完成功能，提高效率，降低成本。
2.1 使用條件電子變壓器的使用條件，包括兩方面內(nèi)容：
　　可靠性和電磁兼容性。以前只注意可靠性，現(xiàn)在由于環(huán)境保護(hù)意識增強(qiáng)，必須注意電磁兼容性。可靠性是指在具體的使用條件下，電子變壓器能正常工作到使用壽命為止。一般使用條件中對電子變壓器影響最大的是環(huán)境溫度。決定電子變壓器受溫度影響強(qiáng)度的參數(shù)是軟磁材料的居里點(diǎn)。軟磁材料居里點(diǎn)高，受溫度影響小；軟磁材料居里點(diǎn)低，對溫度變化比較敏感，受溫度影響大。例如錳鋅鐵氧體的居里點(diǎn)只有215℃，比較低，磁通密度、磁導(dǎo)率和損耗都隨溫度發(fā)生變化，除正常溫度25℃而外，還要給出60℃，80℃，100℃時的各種參數(shù)數(shù)據(jù)。因此，錳鋅鐵氧體磁芯的工作溫度一般限制在100℃以下，也就是環(huán)境溫度為40℃時，溫升必須低于60℃。鈷基非晶合金的居里點(diǎn)為205℃，也低，使用溫度也限制在100℃以下。鐵基非晶合金的居里點(diǎn)為370℃，可以在150℃～180℃以下使用。高磁導(dǎo)坡莫合金的居里點(diǎn)為460℃至480℃，可以在200℃～250℃以下使用。微晶納米晶合金的居里點(diǎn)為600℃，取向硅鋼居里點(diǎn)為730℃，可以在300℃～400℃下使用。電磁兼容性是指電子變壓器既不產(chǎn)生對外界的電磁干擾，又能承受外界的電磁干擾。電磁干擾包括可聽見的音頻噪聲和聽不見的高頻噪聲。電子變壓器產(chǎn)生電磁干擾的主要原因是磁芯的磁致伸縮。磁致伸縮系數(shù)大的軟磁材料，產(chǎn)生的電磁干擾大。鐵基非晶合金的磁致伸縮系數(shù)通常為最大（27～30）×10－6，必須采取減少噪聲抑制干擾的措施。高磁導(dǎo)Ni50坡莫合金的磁致伸縮系數(shù)為25×10－6，錳鋅鐵氧體的磁致伸縮系數(shù)為21×10－6。以上這3種軟磁材料屬于容易產(chǎn)生電磁干擾的材料，在應(yīng)用中要注意。3％取向硅鋼的磁致伸縮系數(shù)為（1～3）×10－6，微晶納米晶合金的磁致伸縮系數(shù)為（0.5～2）×10－6。這 2種軟磁材料屬于比較容易產(chǎn)生電磁干擾的材料。6.5％硅鋼的磁致伸縮系數(shù)為0.1×10－6，高磁導(dǎo)Ni80坡莫合金的磁致伸縮系數(shù)為（0.1～0.5）×10－6，鈷基非晶合金的磁致伸縮系數(shù)為0.1×10－6以下。這3種軟磁材料屬于不太容易產(chǎn)生電磁干擾的材料。由磁致伸縮產(chǎn)生的電磁干擾的頻率一般與電子變壓器的工作頻率相同。如果有低于或高于工作頻率的電磁干擾，那是由其他原因產(chǎn)生的。
2.2 完成功能電子變壓器從功能上區(qū)分主要有變壓器和電感器2種。
　　特殊元件完成的功能另外討論。變壓器完成的功能有3個：功率傳送、電壓變換和絕緣隔離。電感器完成功能有2個：功率傳送和紋波抑制。功率傳送有2種方式。第一種是變壓器傳送方式，即外加在變壓器原繞組上的交變電壓，在磁芯中產(chǎn)生磁通變化，使副繞組感應(yīng)電壓，加在負(fù)載上，從而使電功率從原邊傳送到副邊。傳送功率的大小決定于感應(yīng)電壓，也就是決定于單位時間內(nèi)的磁通密度變量ΔB。ΔB與磁導(dǎo)率無關(guān)，而與飽和磁通密度Bs和剩余磁通密度Br 有關(guān)。從飽和磁通密度來看，各種軟磁材料的Bs從大到小的順序?yàn)椋鸿F鈷合金為2.3～2.4T，硅鋼為1.75～2.2T，鐵基非晶合金為 1.25～1.75T，鐵基微晶納米晶合金為1.1～1.5T，鐵硅鋁合金為1.0～1.6T，高磁導(dǎo)鐵鎳坡莫合金為0.8～1.6T，鈷基非晶合金為 0.5～1.4T，鐵鋁合金為0.7～1.3T，鐵鎳基非晶合金為0.4～0.7T，錳鋅鐵氧體為0.3～0.7T。作為電子變壓器的磁芯用材料，硅鋼和鐵基非晶合金占優(yōu)勢，而錳鋅鐵氧體處于劣勢。功率傳送的第二種是電感器傳送方式，即輸入給電感器繞組的電能，使磁芯激磁，變?yōu)榇拍軆Υ嫫饋恚缓笸ㄟ^去磁變成電能釋放給負(fù)載。傳送功率的大小決定于電感器磁芯的儲能，也就是決定于電感器的電感量。電感量不直接與飽和磁通密度有關(guān)，而與磁導(dǎo)率有關(guān)，磁導(dǎo)率高，電感量大，儲能多，傳送功率大。各種軟磁材料的磁導(dǎo)率從大到小順序?yàn)椋篘i80坡莫合金為（1.2～3）×106，鈷基非晶合金為（1～1.5）×106，鐵基微晶納米晶合金為（5～8）×105，鐵基非晶合金為（2～5）×105，Ni50坡莫合金為（1～3）×105，硅鋼為（2～9）×104，錳鋅鐵氧體為（1～3）×104。作為電感器的磁芯用材料，Ni80坡莫合金、鈷基非晶合金、鐵基微晶納米晶合金占優(yōu)勢，硅鋼和錳鋅鐵氧體處于劣勢。傳送功率大小，還與單位時間內(nèi)的傳送次數(shù)有關(guān)，即與電子變壓器的工作頻率有關(guān)。工作頻率越高，在同樣尺寸的磁芯和線圈參數(shù)下，傳送的功率越大。電壓變換通過變壓器原繞組和副繞組匝數(shù)比來完成，不管功率傳送大小如何，原邊和副邊的電壓變換比等于原繞組和副繞組匝數(shù)比。絕緣隔離通過變壓器原繞組和副繞組的絕緣結(jié)構(gòu)來完成。絕緣結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度，與外加和變換的電壓大小有關(guān)，電壓越高，絕緣結(jié)構(gòu)越復(fù)雜。紋波抑制通過電感器的自感電勢來實(shí)現(xiàn)。只要通過電感器的電流發(fā)生變化，線圈在磁芯中產(chǎn)生的磁通也會發(fā)生變化，使電感器的線圈兩端出現(xiàn)自感電勢，其方向與外加電壓方向相反，從而阻止電流的變化。紋波的變化頻率比基頻高，電流紋波的電流頻率比基頻大，因此，更能被電感器產(chǎn)生的自感電勢抑制。電感器對紋波抑制的能力，決定于自感電勢的大小，也就是電感量大小，與磁芯的磁導(dǎo)率有關(guān)，Ni80坡莫合金、鈷基非晶合金、鐵基微晶納米晶合金磁導(dǎo)率大，處于優(yōu)勢，硅鋼和錳鋅鐵氧體磁導(dǎo)率小，處于劣勢。
　　2.3 提高效率提高效率是對電源和電子變壓器的普遍要求。
　　雖然，從單個電子變壓器來看，損耗不大。例如，100VA電源變壓器，效率為98％時，損耗只有2W并不多。但是成十萬個、成百萬個電源變壓器，總損耗可能達(dá)到上十萬W，甚至上百萬W。還有，許多電源變壓器一直長期運(yùn)行，年總損耗相當(dāng)可觀，有可能達(dá)到上千萬 kW•h。顯然，提高電子變壓器的效率，可以節(jié)約電力。節(jié)約電力后，可以少建發(fā)電站。少建發(fā)電站后，可以少消耗煤和石油，可以少排放 CO2，SO2，NOx，廢氣，污水，煙塵和灰渣，減少對環(huán)境的污染。既具有節(jié)約能源，又具有保護(hù)環(huán)境的雙重社會經(jīng)濟(jì)效益。因此，提高效率是對電子變壓器的一個主要要求。電子變壓器的損耗包括磁芯損耗（鐵損）和線圈損耗（銅損）。鐵損只要電子變壓器投入工作，一直存在，是電子變壓器損耗的主要部分。因此，根據(jù)鐵損選擇磁芯材料，是電子變壓器設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容，鐵損也成為評價軟磁材料的一個主要參數(shù)。鐵損與電子變壓器磁芯的工作磁通密度和工作頻率有關(guān)，在介紹軟磁材料的鐵損時，必須說明是在什么工作磁通密度下和什么工作頻率下的損耗。例如，P0.5/400，表示在工作磁通密度0.5T和工作頻率400Hz下的鐵損。 P0.1/100k表示在工作磁通密度0.1T和工作頻率100kHz下的鐵損。軟磁材料包括磁滯損耗、渦流損耗和剩余損耗。渦流損耗又與材料的電阻率ρ成反比。ρ越大，渦流損耗越小。各種軟磁材料的ρ從大到小的順序?yàn)椋哄i鋅鐵氧體為 108～109μΩ•cm，鐵鎳基非晶合金為150～180μΩ•cm，鐵基非晶合金為130～150μΩ•cm，鈷基非晶合金為 120～140μΩ•cm，高磁導(dǎo)坡莫合金為40～80μΩ•cm，鐵硅鋁合金為40～60μΩ•cm，鐵鋁合金為30～60μΩ•cm，硅鋼為 40～50μΩ•cm，鐵鈷合金為20～40μΩ•cm。因此，錳鋅鐵氧體的ρ比金屬軟磁材料高106～107倍，在高頻中渦流小，應(yīng)用占優(yōu)勢。但是當(dāng)工作頻率超過一定值以后，錳鋅鐵氧體磁性顆粒之內(nèi)的絕緣體被擊穿和熔化，ρ變得相當(dāng)小，損耗迅速上升到很高水平，這個工作頻率就是錳鋅鐵氧體的極限工作頻率。

STM32/STM8

意法半導(dǎo)體/ST/STM