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            高頻電子變壓器基礎知識詳解
            發表時間:2020-08-08 14:25:07

            高頻電子變壓器就是工作頻率高的電子變壓器,一般工作頻率高于20kHz。

                 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。

                  高頻電子變壓器的定義是非常明確的,只不過被國內一部分專家發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,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。如果傳輸的能量為定值,工作頻率高,在一定時間內傳輸能量的次數多,每一次傳輸的能量可以少,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(國內更通用的術語是電力電子),還包括工業電子、信息電子、無線電子和微電子,電子變壓器雖然區別于電力變壓器,但是并不區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。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?現在,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(注:請按規范的詞頭,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。

            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展方向是從立體結構向平面結構、片式結構、薄膜結構發展,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工藝方面也帶來新的發展方向。在設計方面,除了要研究各種新結構的電磁場分布,如何達到最佳的優化設計,還要研究多層結構的各種問題。在生產工藝方面,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展方向,經過近十年的研究開發,壓電變壓器已經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化和具體設計,是現在各種電子器件的主要發展方向之一,當然也是高頻電子變壓器的一個主要發展方向。這樣可以縮短設計時間,減少材料用量,縮短生產周期,降低成本。

            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)的平面磁芯、片式磁芯和薄膜磁芯。

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

                  軟磁鐵氧體是現在高頻電子變壓器使用的主要磁芯材料,發展方向是開發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年開發出寬溫低損耗材料PC95,在25℃~120℃溫度范圍內損耗都小于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。抗電磁干擾電感器用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部的化學能來合成材料。整個工藝極為簡單,能耗低,生產效率與產品純度高,對環境無污染,已經成功合成Mg、MgZn、MnZn、NiZn鐵氧體,正在實現產業化。火花等離子燒結法(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,性能價格比的優勢不如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,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品中,充分發揮各種軟磁材料的優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展方向。

                  硅鋼的特點是飽和磁密高,性能穩定,價格較低,近年來發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用于25kHz和70kHz的電子變壓器中。現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,環境適應性好,但是價格貴,近年來發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。

                  軟磁復合材料現在成為高頻電子變壓器用磁芯材料的一大發展方向,它與傳統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、生產效率高、成本低,產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,現在已開發出工作頻率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。

                  根據高頻電子變壓器整體結構的發展要求,磁芯結構的發展方向是平面磁芯、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在高頻電子變壓器最活躍的發展方向之一,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。國內已建立幾個中心在大力研究。現在希望能把材料開發,電子變壓器制造和應用單位聯合起來,盡快把國內開發出的薄膜軟磁材料變成電子信息產品中的高頻電子變壓器磁芯,形成國內有自主知識產權的薄膜變壓器,作者正在努力促成這項工作。

            線圈材料和結構

                  隨著高頻電子變壓器整體結構的發展,線圈結構主要的發展方向是平面線圈,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,國內開發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,薄膜變壓器是現在正在大力開發的高頻電子變壓器,許多結構并不定型,也許,還會出現許多新的線圈結構。


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