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电源中电子变压器的一些新进展
作者:徐泽玮
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稳压器/整流器展厅
电源适配器, 变压器, 稳压器, 整流桥, 整流器, ...
引言

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1.7 T和50 Hz 下,单位重量损耗为1.10 Wkg。日本产的0.23 mm 厚度的取向冷轧硅钢P1.750 为0.88Wkg。硅钢带材表面处理后涂张力涂层,P1.750下降到0.7Wkg。改变退火工艺,细化磁畴,P1.750再下降到0.55~0.45Wkg,远远低于0.35mm厚无取向冷轧硅钢在工作磁密1.5T和50Hz 下(P1.550)的2Wkg。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1.5 T 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0.35 mm,纵向饱和磁密为1.80~1.90 T,横向饱和磁密为1.825T,损耗P1.750为1.10~1.25Wkg。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P1.550为3Wkg。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 基本上都为390 mT,PC47 为410 mT,与理论值600 mT 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520 mT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 材料,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 材料水平。TOKIN公司开发出BH3 材料,在25℃下,其Bs 为540 mT,Pcv 为600 mW/cm3;而在100℃下,Bs 为440 mT,Pcv 为370 mW/cm3。NICERA公司开发出BM30 材料,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材料,Bs在25℃下,为563 mT;在100℃下为560 mT,基本不变,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15 000±30%,H5C5,μ为30 000±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5 500±25%;HS72,μ为7 500±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4 200±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5 200±20%,Bs在25℃时为550 mT,100℃时为380 mT,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Metglas 2605SA1 为例,从表1 中可以看出以下特点。

表1 取向冷轧硅钢与鉄基非晶合金技术经济指标对比
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(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Metglas 2605SA1 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P1.450,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P1.450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P1.450忆,硅钢为123%P1.450,铁基非晶合金为106%P1.450,这时,铁基非晶品合金的P1.450忆只有硅钢的22.7%~37%。

(4)硅钢的现行价格取自2006 年8 月中旬广东某地钢材市场牌价,国外进口铁基非晶合金的现行价格取自日本日立公司2006 年7 月报价2.85美元kg,按1 美元兑换8元人民币的汇率为22.8 元kg,再加关税和增值税为28 元kg,国产铁基非晶合金现行价格为估价,与生产单位报价有一些差别。

(5)铁基非晶合金退火温度比硅钢低,时间少,消耗能量少,制造铁心的附加加工费用应当比硅钢低。

铁基非晶合金带材可以加工成卷绕环形铁心,搭接式矩型铁心和开口式C 型铁心。上世纪90 年代,日本曾用几层粘接的铁基非晶合金带材加工过EI 型铁心,但是附加加工费用大,铁心损耗也增加,后来没有再见过有关的报道。现在,正在研究的大块非晶合金厚度可达毫米级和厘米级,如果投入生产后,有可能同硅钢一样,加工成EI 型铁心。综合以上的各种因素,在环形和C 型铁心的小容量工频电子变压器中,铁基非晶合金代替硅钢最有可能取得明显效果。

在400Hz~20kHz 中频电子变压器中,铁基非晶合金无论是技术指标,还是经济指标都超过硅钢。上世纪90 年代,美国生产的中频电子变压器就大量用铁基非晶合金代替硅钢。日本在上世纪90 年代开发出6.5%的硅钢,使400Hz~20kHz 损耗明显下降,同时,磁致伸缩趋近于零,可用于低噪声中频电子变压器。前两年日本又开发出加铬硅钢,使20kHz至100kHz损耗进一步下降,把硅钢的应用范围扩展到20kHz 以上的中高频,同时,耐腐蚀性也好。但是从表2 硅钢与铁基非晶合金中频损耗比较中看出:不论是无取向和取向冷轧3%硅钢,6.5%硅钢还是加铬硅钢,在400Hz至20kHz 中频段的损耗都高于铁基非晶合金。从经济指标上看:0.10mm 厚无取向冷轧3%硅钢带的价格已经和铁基非晶合金带的价格基本相当,0.10mm 厚取向冷轧3%硅钢带的价格现在超过铁基非晶合金带的价格300%,0.10mm 厚6.5%硅钢和加铬硅钢带的价格更高。因此中频电子变压器采用铁基非晶合金代替硅钢,比工频电子变压器更有可能取得良好的技术经济效益。由于铁基非晶合金加工的铁心只有环形和C 型,中频电子变压器的设计要作相应的更改。在保证同样的工作磁密下,可以降低铁损。在保证中频电子变压器总损耗基本不变的情况下,可以提高工作磁密,减少线圈匝数,降低用铜量。具体设计可以根据对损耗和成本要求综合考虑。

表2 硅钢和铁基非晶合金总频损耗比较
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铁基纳米晶合金和软磁氧体技术指标相比如见表3 所列,具有饱和磁密Bs高,初始磁导率μi高,单位体积功耗Pcv 低等优点,居里温度大于560益,在使用条件下,温度变化对技术指标影响小。同时,铁基纳米晶合金铁心经浸漆固化处理后,机械性能稳定,因此,在20 kHz 至500 kHz 中高频电源电子变压器中,铁基纳米晶合金可以和软磁铁氧体在性能价格比上进行竞争。

表3 铁基纳米合金和软磁铁氧体技术指标比较
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对于铁基纳米晶合金与软磁铁氧体的价格比较,除了最近市场价格波动因素而外,还应当考虑以下几点。

(1)由于铁基纳米晶合金功耗小,因此允许工作磁密高于200mT。铁心截面和体积下降,线圈匝数减少,中高频电子变压器用铜铁量都会下降,整体成本下降。

(2)铁基纳米晶合金使用温度高,中高频电子变压器可以使用温度指标高的电磁线。可以进一步减少变压器的体积和用铜铁量。

(3)对于1kW以上的大功率中高频电子变压器,软磁铁氧体工作磁密低,铁心体积大,在现有的生产工艺条件下,制作大尺寸铁心难度大,成品率低,成本并不比铁基纳米晶合金低。

(4)对20W以下小功率中、高频电子变压器,铁心本身重量和体积不大,采用铁基纳米晶合金增加的成本占铁心总体成本的比例不大。

从市场上看,软磁铁氧体价格上涨,而国内铁基纳米晶合金已形成大规模批量生产能力,而且至少有10 家生产单位可以供应环形和C 型铁基纳米晶合金铁心,价格比前几年下降许多。估计今后还会缩小铁基纳米晶合金铁心和软磁铁氧体铁心的价格差距。

近年来,利用铁基非晶合金和纳米晶合金,开发了各种电源用的电感器件。

(1)用于交流滤波和共模干扰抑制电感的铁基非晶合金和纳米晶合金磁芯,初始磁导率为30 000~120000,最大磁导率100000~200000,比软磁铁氧体大得多,在要求同样电感量条件下,磁芯尺寸只有软磁铁氧体铁心尺寸的18 至110。例如,在同样电流100A和同样电感量下,一个φ130 mm×φ90 mm×30 mm 的铁基纳米晶合金磁芯可以代替4个φ130mm×φ70mm×50mm 的软磁铁氧体磁芯。同时,还可以减少线圈匝数。电感器总体成本低于用软磁铁氧体磁芯的电感器总体成本的13,已用于各种大小功率开关电源中。

(2)用于直流高频载波滤波电感的无气隙宽恒导磁铁基非晶合金磁芯,电感器中主要通过直流电流,要求在一定磁场强度(例如800Am)以内,磁导率保持不变,磁化曲线为直线。以前都是有气隙磁芯,既增加加工工序,又有较大的噪音。从上世纪90 年代起,国外就开始研究宽恒导磁非晶合金磁芯,现在国内已经有批量生产环形磁芯,外径φ16~φ50mm,内径φ8~φ30mm,有效磁导率200~2000。同时高频损耗小,可以在滤除高频载波时比软磁铁氧体减少功耗和发热,已广泛用于各种直流直流、) TjF交流直流、直流交流变换开关电源和UPS电源中,也用于汽车噪音抑制器中。

(3)用于大电流直流高频载波滤波电感的有气隙铁基非晶合金磁芯。电流超过一定数值后,无气隙磁芯磁导率就会迅速下降,因此,大电流直流高频载波滤波电感还是要采用有气隙磁芯,近年来开发出有气隙的铁基非晶合金环形磁芯和C 型磁芯,有效磁导率可达几百,在较大磁场强度,例如8000Am 下磁导率保持不变,同时还可以通过改变气隙来调整电感大小。在同样电流和同样电感量条件下,有气隙铁基非晶合金磁芯体积只有软磁铁氧铁磁芯体积的15 以下。例如,一个φ140 mm×φ80 mm×35 mm 有气隙铁基非晶合金磁芯可代替6个φ125mm×φ75mm×20mm的软磁铁氧体磁芯,已用于各种大电流大功率开关电源和UPS电源中。

总之,软磁铁氧体作为电感器铁芯,在电源设计中已失去往日的许多市场,逐渐被铁基非晶和纳米晶合金和磁粉芯取代。

铁基非晶合金带厚只有0.02~0.04mm,要卷绕成环型铁心,需要不少加工工时,增加成本。现在正在开发的铁基大块状非晶合金可以解决这个问题。Fe-(Al,Ga)-(P,C,B,Si)非晶合金可以用铜模铸造法制成环型铁心,由于形成独特的磁结构,软磁性能比用快淬非晶合金带卷绕成的环形铁心好。也可用Fe-(Al,Ga)-(P,C,B,Si)非晶合金粉末装在模具中,通过电脉冲烧结法制成铁心,这两种方法当然都不只限于制造环形铁心,可以象软磁铁氧体一样,制成各种形状的铁心。据报道,Fe-(Al.,Ga)-(P,C,B,Si)大块状非晶合金饱和磁密Bs为1.1T,在1kHz下的有效导率μi为7000~12000,矫顽力Hc为2~6Am,可以代替硅钢和软磁铁氧体制作电源中电子变压器的铁心。

1.4 软磁复合材料(SMC)和磁粉芯

软磁复合材料(SMC)是上世纪90 年代开发出来的新型软磁材料,其出发点是想把金属软磁材料的工作频率向MHz 级和GHz 级扩展,因此将金属软磁材料与其他高电阻材料,如石英、陶瓷、高分子材料等复合在一起,只要控制金属软磁材料的体积百分数在逾渗极限以下,就有可能保持软磁特性,又减少各种高频率损耗,成为一种新的软磁材料———软磁复合材料,取英文名称的第一个字母,简称SMC材料。

软磁复合材料中的磁性粒子可以是纯铁、镍、钴金属、铁镍合金、铁镍钼合金、铁铝合金、铁基非晶合金、铁基纳米晶合金和软磁铁氧体经过粉碎后制成的粉末。非磁性物体可以是二氧化硅等绝缘体,硅树脂、聚乙烯、环氧树脂等高分子材料作粘接剂和硬脂酸等作润滑剂。磁性粒子和非磁性物体混合后,可以经过绝缘处理、压制成形、烧结等工艺加工成磁粉芯,也可以采用现在的塑料工程技术,注塑成各种复杂形状的磁芯。软磁复合材料的优点是密度小,重量轻,生产效率高,成本低,产品一致性好。缺点是由于磁粒子之间被非磁性物体隔开,磁性阻断,磁导率现在一般都在100以内,最近报导通过纳米技术和其他措施,已开发出磁导率超过1000 的软磁复合材料,最大可达6000。

磁粉芯是软磁复合材料的一大门类,现在已有铁粉芯、铁镍粉芯、铁镍钼粉芯、铁硅铝粉芯和近年来开发成功的铁基纳米晶合金粉芯等,表4是几种磁粉芯的性能比较。

表4 几种磁粉芯性能比较
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从技术性能上看,铁镍钼粉芯最好,但是从价格上看最贵,因此最近开发出铁基纳米晶合金粉芯,可生产外径φ15~φ80 mm,内径φ7~φ50 mm,高5~25 mm 磁粉芯,有效磁导率为35、50、70 和90。在电源中,用磁粉芯制造电感器件与软磁铁氧体相比,有以下优点:

(1)饱和磁密Bs 高,可以承受更大的直流偏量;
(2)气隙均匀分布,减少局部损耗;
(3)居里温度高,在工作范围内,磁导率不变;
(4)铁镍钼粉芯和铁基纳米晶合金粉芯磁致伸缩小,工作中噪声小。

因此,现在磁粉芯在电源电感器件中已取代软磁铁氧体部分市场。

高分子软磁复合材料近年来发展迅速,在国外已用这种材料制造高频电源变压器和电感器,并建立相应的分析理论和设计程序。据作者所知,国内虽然进行了高分子软磁材料的研究开发,但是还未见到用于电源中电子变压器的报道。

1.5 导电材料

从2004 年初开始,铜材料价格迅速上涨,到2006年8 月,已达到80.2 元kg。作为电源中的电子变压器主要材料的导电材料,出现一些新的发展趋势。其中一个主要发展趋势是“以铝代铜”。这是因为2006 年8 月的铝材价格为27.4 元kg,是铜材价格的34.4%,要低得多。虽然铝的电阻率为2.800μΩcm,为铜的电阻率1.741μΩcm 的162.4%,铝的电阻温度系数0.00407℃是铜的电阻温度系数0.00399℃的103.56%。如果暂时不考虑温度影响,在保证电源中电子变压器的线圈损耗不变,也就是线圈电阻不变的条件下,铝导线必须比铜导线增大截面积162.4%。但是,铝材比重为2.7g /cm3,是铜材比重8.89gc /cm3的30.37%。增加截面后的铝导线重量仍然只有铜导线重量的49.32%,也就是轻一半左右。假定一个电源中电子变压器铜导线用量为10kg,不考虑电磁线用绝缘漆和加工费用,单只是铜材价格将是802 元。在保证同样线圈损耗条件下,铝导线用量约为5kg,不考虑电磁线用绝缘漆和加工费用,单只是铝材价格为137 元,只有铜材价格的17.08%。即使考虑以铝代铜后,铁心窗口面积要增大,用铁量增加的成本,其降低电源中电子变压器的总体成本的效果也是非常明显的。

现在,国内正在开发用于电源中电子变压器的各种铝导线。一些企业已经开发出铜包铝导线,铜线在外层,占面积15%,总比重为3.63 g /cm3,考虑趋表效应和邻近效应,这种铜包铝导线的电阻率比纯铝线会小不少,而成本增加不多,是一种充分发挥铜和铝效果的复合材料。

近年来另一值得注意的发展趋势,是选用温度指数高、耐热等级高的180聚酯亚胺QZY 漆包线和220 聚酰亚胺QYZ漆包线,导线允许的电流密度增大,导线直径减少,用铜量减少,铁心窗口面积减少,用铁量也同时减少,可以降低整体成本。特别是对要求体积小的高频小功率电源变压器,采用耐热性更好的漆包线, 更能显出技术经济效益。

国外近年来开发的漆包线,如155ETFE、180FEP、200PFA漆包线,已在国内建厂生产。这几种漆包线的绝缘层都属于线型热塑性四氟乙烯共聚树脂,耐热性好,可以在从极低温至高温的大温度范围下工作,其电气性能、机械性能、耐化学溶剂性能和耐老化性能都好,可以用于特殊环境条件要求(如耐化学腐蚀、耐油、耐辐射)的中小型电源变压器中。小规格薄绝缘层PFA漆包线,国外已大量用于要求体积小的高频开关电源的电子变压器中。

2、新结构

近年来,电源中的电子变压器的结构发生了许多变化,出现了平面电子变压器、片式电子变压器和薄膜电子变压器等新结构电子变压器。这几种新结构电子变压器将逐渐成为中高频电子变压器主流新产品,在以后的新产品一节中介绍,这里先讨论一下电子变压器中铁心结构近年来发生的变化。

随着取向冷轧硅钢不断涨价,必须利用厚度0.27mm下取向冷轧硅钢的铁心结构,如R型铁心和立体三角形铁心结构,有被淘汰的趋势,而回到环形铁心结构和平面铁心结构。现在已有各种规格和型号的环形绕线机,环形铁心绕线已不是什么困难的事情。采用环形铁心结构,可以充分利用铁心性能和材料,据有关专门生产环形电子变压器的厂家资料介绍,采用环形铁心相比于R 型、CD 型、EI 型铁心生产变压器,可节约成本20%~50%。

对500VA以上的电源变压器可以采用搭接式绕卷铁心,材料可以用厚度0.23mm 的硅钢,也可以用铁基非晶合金,在现在铁基非晶合金带材价格低于0.23 mm 厚硅钢带材价格的条件下,采用铁基非晶合金可能更合理一些。

采用高分子软磁复合材料铁心的高频电源变压器,国外已批量生产。用工程塑料做成铁心外壳,中间注入高分子软磁复合材料,表面再用磁性片封住。采用这种铁心结构生产出来的高频电子变压器,不象软磁铁氧体那样需要经过烧结等工序,加工效率高,一致性好,成本低,同时还可以根据对高频磁导率和损耗要求对铁心成分进行调整,以满足不同频率下不同器件的要求。

作为电子变压器铁心一种根本变革的新结构———磁集成铁心,可以把两个或几个电子变压器铁心和电感器铁心集成为一体,大大缩小电子变压器体积,降低成本。国内已有几家大学和研究机构进行研究。但是到现在为止,还未见到用于电源中电子变压器的报道。

3、新原理

3.1 压电陶瓷变压器

压电陶瓷变压器作为新原理电子变压器,已引起国内电子变压器行业的注意。上世纪90 年代以来,把多层片式电容器的制造技术移植到压电陶瓷变压器的制造上,克服了早期用有机粘结剂粘结多层压电陶瓷变压器的性能偏低而且不稳定的缺点,从而可能实现规模生产,逐渐在各种电子设备中推广应用。“全国电子变压器行业协会论文集”2004 年第(六)集和2005 年第(七)集相继发表了几篇文章进行介绍,希望在铜铁材料涨价的情况下,电子变压器行业能对这种不用铜铁材料的压电陶瓷变压器进行开发和生产。

压电陶瓷变压器与电磁变压器相比,具有体积小,厚度一般小于5 mm,重量轻,结构简单,不怕受潮,不怕燃烧和击穿,电磁兼容性好(包括无电磁干扰和不受电磁干扰)。安全可靠,转换效率超过90%等优点。但是,功率小,现在最大为40W,配套电路比较复杂,工艺流程还不完整,还没有很好解决压制、烧结、磁性激化等工艺问题,规模生产优良率不高,导致成本偏高,价格比现有同容量的电磁变压器贵。因此要推广应用还需要解决一系列问题。

现在压电陶瓷变压器的应用分为两种,一种是由低压变成高压的升压变压器,用于液晶显示器、静电除尘器和高压电源中,国内外都已形成规模生产。另一种是由高压变成低压的降压变压器,现在仍处于研究开发阶段,只有个别的产品投入生产,现在见到已报道的最好的样机,是日本富士通利用LiNbO3单晶制成15 mm×15 mm×0.5mm 的压电陶瓷变压器,工作频率4 MHz,输出功率30~40W,可以用于降压型开关电源。

3.2 电力电子变压器

电源技术和电力电子技术中包含的交流电压变换技术,是一种“纯粹的”电子变压器,也能把低压变成高压进行升压变换,或者把高压变成低压进行降压变换,其主要方法是采用电力电子技术提高电能变换频率,从而缩小电路中的变压器和电感器的体积,并不是取消其中的变压器和电感器。以前,对这种把电力电子电路和电子变压器结合起来的方法,没有引起足够的重视。近年来,随着电力系统要求减少输入和输出谐波,提高网侧功率因数,实现“绿色变换”的呼声日益高涨,国内外开展了“电力电子变压器”的研究,才兴起了研究开发热潮。研究如何用电力电子技术对电力进行变换和控制,用电力电子变压器代替传统的电磁式配电变压器。现在已有单相变换和三相变换等多种电路形式,这种电力电子变压器不但可以用于高压大电流电力领域,也可以用于高压或低压小电流领域,例如一些高压电源发生器和小功率调压电源等。

电力电子变压器与传统的完全依靠电磁式变压器相比,其优点是可以实现闭环控制,输出电压稳定性好,波形好,不存在铁心饱和产生的电压电流波形畸变,体积小,重量轻,空载损耗小,但是工作效率比电磁变压器低,价格贵是缺点。估计今后在解决相关问题后会推广应用。

3.3 可调电感器

电源中改变电感大小的方法通常有两种方法。一种方法是采用带螺纹的软磁铁氧体,改变铁心在线圈中的位置;另一种方法是采用滑动开关,改变线圈匝数,从而改变电感器的电感量。这两种方法有一个共同的缺点,是有可动部分,只能手动调节,不能自动控制。在具体的电源设备中,实现起来比较麻烦。现在可以利用铁心和线路结合的方法,来改变电感器的电感大小,有以下三种方法。

3.3.1 饱和电感法

在铁心上绕两个绕组,一个是工作绕组,通交流;另一个是控制绕组,通直流,改变控制绕组中直流电流的大小,就可以改变铁心的饱和程度,从而改变工作绕组的等值电感大小。这种方法比较早期,饱和电感器和磁放大器的工作原理就建立在这种饱和电感法的基础上。

3.3.2 开关控制电感法

在电感器电路中串联一个双向晶闸管开关,通过双向晶闸管的导通和关断来改变电感器的等值电感大小。这种方法比较新,上世纪80 至90 年代,国内外大量研究开发和生产的正弦能量分配器式交流稳压电源,就建立在这种开关控制电感法的基础上。

3.3.3 正交铁心控制电感法

把C 型铁心的一半旋转90°和另一半对接,一半铁心上绕工作绕组,通交流;另一半铁心上绕控制绕组;通直流。改变直流电流大小,就可以连续改变工作绕组的电感大小,这种方法比较新。上世纪90 年代后,一直在开关电源、逆变电源、交流稳压电源和电力交流串联补偿器和移相器中应用。日本把这种正交形状软磁铁氧体铁心标准化,称为SX型铁心。

从上面可以看出,包括压电陶瓷变压器在内,通过器件和电路的结合,可以开发出电源中新原理的电子变压器来。今后还会有更多的新原理的电子变压器出现。

4、新产品

随着电子电源设备向轻、薄、短、小方向发展,电子变压器也出现一代比一代更小巧的新产品:平面电子变压器、片式电子变压器、薄膜电子变压器。

从上世纪90 年代起,平面电子变压器就逐渐推广开来,到现在已经形成专门用于平面电子变压器的低高度软磁铁氧体铁心类型系列。平面电子变压器采用印刷电路板线圈或者箔式线圈,般都安装在印刷电路板上,与电子设备整体设计不能分开,因此大多数都由电子设备制造单位自己设计和生产制造。虽然有国外企业开发出功率从小到大的单独生产的平面电子变压器,但是由于种种原因,一直未形成规模市场,特别是功率超过100VA以上的大功率平面电子变压器存在散热问题,必须附加散热器,体积并不象企业广告宣传那样减少得显著,因此在大功率开关电源中推广遇到困难。

片式电子变压器是适应表面贴装技术开发出来的新一代电子变压器,在国内已经大规模生产。

片式电子变压器包括变压器、电感器、EMI 滤波器和磁珠阵列,按制造工艺可分为绕线型和叠层型两种。绕线型片式电子变压器,是将原来的软磁铁氧铁心体积缩小,再绕上细导线,外面再用树脂封装。现在,生产的小尺寸有4.6 mm×4.6 mm、甚至3.8mm×3.8mm、3.0mm×3.0mm,由于受工艺限制,最小尺寸为2.5mm×2.0mm。高度为1.8mm、1.5mm、1.2 mm、1.0 mm。叠层型电子变压器采用厚膜多层印刷技术和叠层生产工艺,把软磁铁氧体(如NiZnCu)桨料和导电(如Ag)桨料交替的印刷、叠成、绕结后制成的。根据使用情况,叠层型片式电子变压器又分为高频变压器、高频电感器、低噪声电感器、阵列式高损耗电感器、功率电感器等。已经生产的高频电感器的小尺寸有3.2 mm×1.6mm、2.0 mm×1.25 mm、1.6 mm×0.8 mm、1.0 mm×0.5 mm,高度可小至0.6~0.5mm。低噪声电感器的小尺寸为1.6mm×3.0mm,阵列式高损耗电感器的小尺寸为3.2 mm×1.6 mm。已经生产的功率电感器额定电流达6A。现在已见到报道额定电流为10~20A的功率电感器,外形尺寸为21.4mm×24mm×10.2mm,电感14μH。但是,铁心材料不是采用软磁铁氧体而是采用高磁通恒导磁铁镍合金,大大提高磁导率,使体积减少三分之一。从这个实例可以看出:不管是绕线型,还是叠层型片式电子变压器,一个主要的发展趋势是提高铁心磁导率,从而减少外形和安装尺寸,才能降低成本。

薄膜电子变压器是最新一代电子变压器,它是采用类似CMOS集成电路的微加工技术将薄膜磁芯和线圈加工在基片上,然后封装而成的。进入21世纪后,国外正大力进行研究开发,每年都有多篇文章介绍研究开发的各种薄膜磁性材料和电子变压器样品,现在已见到正式产品报道。例如一种薄膜电感器产品,电感量为0.6~10nH,尺寸为0.6mm×0.3mm,高度小于0.5mm,已进入批量生产和应用阶段。国内报道过电感量为0.3μH的FeSiAl合金薄膜电子变压器和NiFe合金薄膜材料。但是到现在为止,还未见到国内有批量生产薄膜电子变压器产品报道。估计在不久的将来,在材料研发、设计加工和用户(例如电源设计生产单位)的大力配合和共同努力下,新一代薄膜电子变压器也会在我国进入规模生产和应用阶段。

5、一些思考

5.1 何谓“新”

上面从新材料、新结构、新原理、新产品等四个方面介绍电源中电子变压器的一些新进展。正如本文开始所指明的那样,这些新进展都是为了在现在具体的使用条件下,完成的具体功能中,提高电子变压器的性能价格比。所谓的“新”,并不指现在才出现的,而是指现在正在实现的。例如,压电陶瓷变压器1956 年就已经出现了,但是在现在中国才被大力推荐研究开发。因此所谓的“新”,是由市场来决定的。任何一种新材料,新结构、新原理、新产品,只有符合市场价格规律,才可能存在和发展,违反了它,就可能被更替和淘汰。所以近年来出现一些有趣的由新变旧、由旧变新的现象。违反市场价值规律是会受到处罚的,一些新材料、新结构、新原理、新产品,不管是如何肯定它过去也好,不管是如何宣扬它未来也好,往往再不能继续发展下去的原因,都是被市场价格所否定。

5.2 何谓“好”

在决定发展方向,评价和采用各种新材料、新结构、新原理和新产品的时候,一定要遵照市场的客观规律,要采取客观的态度。不能因为自己从事某种材料、结构、原理和产品的开发和应用,出于某种主观原因的偏爱,把某种材料、结构、原理和产品说成最好!这样做,往往会带来事与愿违的结果。

例如,有些从事金属软磁材料应用开发研究的人,往往忽视软磁铁氧体材料和应用;有些从事软磁铁氧体材料和应用开发研究的人,往往忽视金属软磁材料和应用。各有各的年会,各有各的论坛,各有各的杂志。这种把自己封闭在熟悉的圈子里的学术交流,只能是学术上的“独白”。听不到不同的意见,看不到不同的道路,提不出不同的思想,对发展科学技术是不利的。

又例如,最近有人提出:压电陶瓷变压器“将是第三代高频电子变压器,也是电子变压器革命性的历史进步。”“总有一天……会代替传统的绕线变压器”。理由是:从理论上压电陶瓷变压器“可以做到无限的薄”,“在实际元件中,厚度也仅为1.5~5 mm”。我相信:有这种看法的人,只是个别从事压电陶瓷变压器研究开发和应用的人,并不是电子变压器行业内大多数人士。压电陶瓷变压器既有优点,又有缺点,只能局限在能发挥自己优点的小功率高压和低压电源中应用。根据现有情况来看,在相当长一段时期内,电磁变压器在电子变压器中仍然占主导地位,仍然是大量生产的主导产品。如果认识不到这个基本点,是会犯错误的。例如会把研究开发的注意力集中在压电陶瓷变压器上,而不是集中量大面广的电磁变压器上,影响电子变压器主体的发展。从现在通行的观点来看,电磁电子变压器从第一代的立体电子变压器,发展到第二代的平面电子变压器,再发展到第三代的片式电子变压器,再发展到第四代的薄膜电子变压器。这几代电子变压器也不是下一代取代上一代,而是同时共存,各自根据市场价值规律,在能充分体现性能价格比的功率和频率领域中发展。单从电子变压器高度来看,第三代片式电子变压器的高度已经低于压电陶瓷变压器了,更不用说第四代薄膜电子变压器,高度已经达到微米级。到现在为止,还没有看到高度为微米级的压电陶瓷变压器的报道。那么,发展压电陶瓷变压器的意义是什么?压电陶瓷变压器只是电子变压器的一种与电路结合而成的新原理变压器,现在主要用在变压比大,功率不大的高压电源中,仅此而已,谈不上是什么“革命性的历史进步”。

至于压电陶瓷变压器理论上“可以做到无限的薄”,“无限的薄”,薄到“零”,那不是“没有”了吗?还算什么产品!千万不能混淆“厚与薄”,“有限与无限”的概念!否则会误入岐途的。任何一个产品,都有一定厚度。压电陶瓷变压器实际上不可能做到“无限的薄”,多层片式压电陶瓷变压器更做不到。

任何人都有知识的局限性。山外青山天外天,只有冲开自己设下的认识牢笼,多了解外面世界,多了解别的行业别的领域,才会找到更好的发展方向,才会有更大的发展。

5.3 市场是决定性因素

从上面介绍的一些新进展可以看出:市场是选取这些进展的决定性因素,又是推动这些进展发展的主要力量。经过这么多年改革开放之后,计划经济时期的一些思想和方法,还或多或少的残留下来。有些人总想按规定的路线和方式来决定电子变压器的技术创新和发展。但是实际证明,这往往是行不通的。例如:上世纪80 年代到90年,R型变压器风行一时。本世纪初,立体三角形结构铁心变压器被有关行政部门大力提倡,在电力变压器领域时髦一阵。现在,随着薄取向冷轧硅钢带的价格飞涨,R 型变压器与环形变压器相比失去了优越性,立体三角形结构铁心变压器的成本远大于平面结构铁心变压器,不得不面临着更换和淘汰。虽然各种规划、咨询和建议,可以供企业考虑,但是,真正起作用的还是市场,由企业根椐当时的市场情况来决策。例如,国内现行的取向冷轧硅钢带的价格远高于成本,有巨大的市场需求和经济效益,用不着政府进行干预,有些企业就会从长期考虑,投资建立新的取向冷轧硅钢带生产线;有些企业就会从短期考虑,从国外大量引进取向冷轧硅钢带;同时,还有些企业从国外收购报废的电力变压器,拆卸后回收取向冷轧硅钢带,经过处理后转卖。可能经过一段时间,国内市场上的取向冷轧硅钢带达到供需平衡之后,就会回到合理的价格水平上。


5.4 如何成为电子变压器生产大国

根资料介绍,2005 年我国电子变压器生产约占世界的20%,其中约三分之二出口。日本的电子变压器生产和消费量都约占世界总量的40%。我国并不是象某个广告媒体所宣传那样,已成为世界最大的电子变压器、电感器生产基地。因此,对我国电子变压器的现实情况,应当有清醒的认识,才能知道自己的短处,别人的长处。日本的电子变压器,从材料到器件开发和设计,再到生产和工艺,再到电源整机中的应用方面,都有一系列的技术创新和发展。日本有的大企业包括了电子变压器的材料、器件和整机应用的各个方面,企业内部互相配合和协调,更有利于推动电子变压器的技术创新和发展,这些都值得借鉴和学习。但是,更应当清醒的认识到:只有在立足自身的基础上,创造性能和成本都适合于中国的电子变压器产品,才是真正走上中国电子变压器技术创新和发展的道路,才能真正成为世界上电子变压器生产大国和强国。在技术引进方面,可以学习别人,但不能依赖别人。通过自主研究开发,提高本国的技术能力,是更好地引进技术的前提和基础,也是最终摆脱对国外技术依赖,避免受制于人的根本保证。

6、结语

我国从事电子变压器研究、开发生产的单位已超过2000 家,其中有国营、民营和外资企业。世界上最大的电子变压器生产厂家美国普思公司和世界上最大的软磁铁氧体生产厂家日本TDK 公司都在我国设有生产基地。世界上许多先进的电子变压器技术、生产工艺和产品都在我国汇集在一起。面对这样一个多种化的平台,技术交流是大有可为的。本文介绍的一些情况只是从其中吸取的一小部分。希望各种内资和外资的电子变压器企业人士都来介绍近年来电源中电子变压器的新进展情况,我想一定会促进中国电子变压器行业的共同发展。

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文章内容仅供参考 (投稿) (5/25/2007)
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