电子变压器的发展方向

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材料和导电材料价格连续上涨，上游原材料形成卖方市场。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，形成买方市场。处于中间位置的电子变压器行业，只有走技术创新之路，才能摆脱这种两头受气的困境。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进，就可以带来新的理念和新的产品。因此，本文从新材料、新结构、新原理、新产品四个方面介绍近年来电源中电子变压器的一些新进展，供读者参考，如果有什么不当之处敬请指正。走技术创新之路，要时刻记住要达到的目的。电源中的电子变压器，象所有作为商品的产品一样进行任何技术创新，都必须在具体使用条件下完成具体功能中，追求性能价格比最好。现在的电源产品，普遍以“轻、薄、短、小”为特点向小型化和便携化发展。电子变压器必须适应作为用户的电源产品对体积和重量的要求。同时，电子变压器的原材料（铁心材料和导电材料）价格上涨。因此，如何减小体积和重量，如何降低成本，成为近年来电子变压器发展的主要方向。1新材料1.1硅钢硅钢是工频电源中电子变压器大量使用的铁心材料。要减少电子变压器中的铁心用量，必须提高硅钢的工作磁通密度（工作磁密）。硅钢的工作磁密既决定于饱和磁通密度，又决定于损耗。因为效率是电子变压器的重要性能指标，现在，为了节能，许多电源产品都提出待机损耗要求。电子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格要求。近年来，取向和无取向冷轧硅钢价格上涨，卷绕式环形铁心，相比于R型、CD型和EI型铁心，由于消耗材料少，可以节约20%以上的铁心材料成本，扩大了电子变压器中的使用范围。卷绕式环形铁心可以充分发挥取向冷轧硅钢的性能，与无取向冷轧钢相比，工作磁密要高得多。同时不象R型、CD型和EI型的铁心那样，可以充分利用硅钢材料，不会有边角废料，材料利用率可以达到98%以上。近年来，冷轧取向硅钢有相当大的改进。国产23Q110的0.23mm取向冷轧硅钢，在工作磁通密度1.7T和50Hz下，单位重量损耗为1.10W/kg。日本产的0.23mm厚度的取向冷轧硅钢P1.7/50为0.88W/kg。硅钢带材表面处理后涂张力涂层，P1.7/50下降到0.7W/kg。改变退火工艺，细化磁畴，P1.7/50再下降到0.55~0.45W/kg，远远低于0.35mm厚无取向冷轧硅钢在工作磁密1.5T和50Hz下（P1.5/50）的2W/kg。在保证同样损耗条件下，0.23mm厚度取向冷轧硅钢工作磁密度可以达到1.85T，如果选取它加工环形铁心，比用无取向冷轧硅钢的工作磁密1.5T高1.23倍，铁心截面和体积可减少23%以上。现在手机充电器和家用电器的电源适配器中，大量使用EI型铁心工频电源变压器，有时会出现过热现象。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，要承受横向磁场，一般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0.35mm，纵向饱和磁密为1.80~1.90T，横向饱和磁密为1.825T，损耗P1.7/50为1.10~1.25W/kg。同时，绝缘膜比较薄，冲压加工性能良好，用它制作铁心，工作磁密可取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，不会再出现过热现象。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%，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型铁心材料，工作磁密也可取1.7T，但损耗较大。值得注意的是：作为电子变压器一大类的工频变压器，采用工作磁密高的铁心材料后，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。在现在铜材价格远远高于铁心材料的情况下，可能是更好的一种设计改进方案。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使用的铁心材料，和金属软磁材料相比，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。温度上升，Bs下降，Pcv开始下降，到谷点后再升高。因此在高温条件下，只要Bs保持较高水平，就可以把工作磁密Bm选得高一些，从而减少线圈匝数，降低用铜量和成本。高温高饱和磁密软磁铁氧体材料，还可以扩大电子变压器使用的温度上限到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工作，就必须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，大致经历了PC30→PC40→PC44→PC50→PC47→PC95→PC90的发展过程。在100℃、100kHz、200mT测试条件下，单位体积功率损耗不断下降。根据该公司2006年4月份公布的数据，PC30为600mW/cm3；PC40为420mW/cm3；PC44为340mW/cm3；PC47为270mW/cm3。但是100益下的饱和磁密Bs，PC30、PC40、PC44基本上都为390mT，PC47为410mT，与理论值600mT相差甚远，不能认为是高温高饱和磁密材料。近年来，为了在电子变压器应用领域和金属软磁材料竞争，兴起一轮开发高温高饱和磁密MnZn铁氧体材料的热潮。日本FDK公司于2003年3月份开发出4H系列高温高饱和磁密材料。其中4H45和4H47在25℃下，Bs分别为520mT和530mT，100℃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材料，100℃下Bs为490mT，但是Pcv相当大，为800mW/cm3。日本TDK公司于2004年9月开发出PC90材料，在25℃下，Bs为540mT，Pcv为680mW/cm3；在100℃下，Bs为450mT，Pcv为320mW/cm3，高于4H45材料水平。TOKIN公司开发出BH3材料，在25℃下，其Bs为540mT，Pcv为600mW/cm3；而在100℃下，Bs为440mT，Pcv为370mW/cm3。NICERA公司开发出BM30材料，25℃下Bs为540mT，Pcv为720mW/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材料，Bs在25℃下，为563mT；在100℃下为560mT，基本不变，150℃为490mT，但是在100℃、100kHz、200mT测试条件下，Pcv为1700mW/cm3，偏高，需要改进。许多电源设备不但要求电子变压器在工作状态下，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PC95就是近年来出现的高水平宽温铁氧体材料。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μ软磁铁氧体材料，作为电子电源设备中脉冲变压器用的，要求磁导率μ相对较高，有TDK公司的H5C3，μ为15000±30%，H5C5，μ为30000±30%。EPCOS公司的T56，μ为20000±30%。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，μ为5500±25%；HS72，μ为7500±25%；HS10，μ为10000±25%。HITACHI公司的MP15T，μ为15000±25%，都可以在500kHz以下工作。作为直流滤波用的，要求直流叠加特性好，有TDK公司的DN45，μ为4500±25%，使用温度0~70℃，和改进后的DNW45，μ为4200±25%，使用温度-40℃~+85℃，川崎公司的SK-202G，使用温度-40℃~+85℃，μ为4300±25%，以及高饱和磁密高磁导率材料，如TDK公司的DN50，μ为5200±20%，Bs在25℃时为550mT，100℃时为380mT，居里温度Tc≥210℃。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，取向冷轧硅钢带材料价格迅速上涨，现在已超过铁基非晶合金带材的价格。在现在这个市场价格条件下，铁基非晶合金在工频电源变压器领域中代替取向冷轧硅钢，不再只是可能的事情，已经变成了现实。在电力变压器行业，配电变压器生产厂纷纷把铁心材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，强制性国家标准“配电变压器的能效限定值及节能评估值”正式实施，更加推动了配电变压器中用铁基非晶合金代替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代替取向冷轧硅钢，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指标对比就可以看出其中的原因。表1中取向冷轧硅钢以日本生产的高磁感23R100和磁畴处理23R085为例，铁基非晶合金以国内生产的1K101和日本日立公司生产的Metglas2605SA1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，但是在同样的工作磁密Bm（例如1.4T）下损耗比硅钢低。铁基非晶合金的工作磁密Bm，单相变压器取1.40~1.45T，三相变压器取1.35~1.40T。硅钢工作磁密Bm，单相变压器取1.70T，三相变压器取1.65~1.70T，同样容量的工频变压器用铁基非晶合金的重量是用硅钢的120%左右。（2）铁基非晶合金的填充系数对国内生产的1K101为0.85，对日本日立公司生产的Metglas2605SA1为0.86-0.90，个别的已达到0.93。如果用0.86与硅钢的0.945相比，同样重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条件下的单位重量损耗为P1.4/50，只有硅钢的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，在现在铜材价格高于铁材价格条件下，采取这种方案是一种降低成本的有效措施。值得注意的是，单位重量损耗P1.4/50是在畸变小于2%正弦波电压下测试的。而实际的工频电网畸变为5%。在这种畸变下的单位重量损耗P1.4/50忆，硅钢为123%P1.4/50，铁基非晶合金为106%P1.4/50，这时，铁基非晶品合金的P1.4/50忆只有硅钢的22.7%~37%。高频电子变压器的发展方向高频电子变压器的发展方向高频电子变压器的最大特点就是高频化。从变压器的工作原理来看，提高工作频率，可以减少变压器的体积和重量，也就是实现短小轻薄化，从而提高单位体积(或重量)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发展方向。下面从高频电子变压器的整体结构、磁芯材料和结构、线圈材料和结构几个方面，提出一些发展方向的意见。1整体结构为适应电子设备愈来愈轻薄短小，高频电子变压器一个主要发展方向是从立体结构向平面结构、片式结构、薄膜结构发展，从而形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结构的发展，不但形成新的磁芯结构和线圈结构，采用新的材料，而且对设计方面和生产工艺方面也带来新的发展方向。在设计方面，除了要研究各种新结构的电磁场分布，如何达到最佳的优化设计，还要研究多层结构的各种问题。在生产工艺方面，要研究各种新的加工方法，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，愈来愈多的应用领域采用空心变压器。探讨空心变