高頻電子變壓器及其發(fā)展方向

　　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(guān)注的一個焦點，一本專業(yè)技術(shù)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(zhǔn)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(zhǔn)確下定義，也沒有人做過學(xué)術(shù)的整合，因此，至今也沒有一個準(zhǔn)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(dǎo)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(yīng)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(yīng)，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(yīng)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(rèn)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(yīng)來傳輸能量的。傳輸能量的大小，與變壓器所用的材料、結(jié)構(gòu)、尺寸和工作頻率有關(guān)。如果傳輸?shù)哪芰繛槎ㄖ?，工作頻率高，在一定時間內(nèi)傳輸能量的次數(shù)多，每一次傳輸?shù)哪芰靠梢陨伲瑒t變壓器用的材料少，結(jié)構(gòu)尺寸小。那種認(rèn)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(rèn)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(shè)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(shè)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(shù)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(guān)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(guān)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(yīng)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(guān)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(dǎo)，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(jié)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(dǎo)意義”，豈不是太容易了嗎?應(yīng)當(dāng)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(xì)的發(fā)展方向，才可能對行業(yè)有一定的指導(dǎo)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(jìn)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(guān)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(jié)構(gòu)、磁芯材料和結(jié)構(gòu)、線圈材料和結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)

　　為適應(yīng)電子設(shè)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(jié)構(gòu)向平面結(jié)構(gòu)、片式結(jié)構(gòu)、薄膜結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)的發(fā)展，不但形成新的磁芯結(jié)構(gòu)和線圈結(jié)構(gòu)，采用新的材料，而且對設(shè)計方面和生產(chǎn)工藝方面也帶來新的發(fā)展方向。在設(shè)計方面，除了要研究各種新結(jié)構(gòu)的電磁場分布，如何達(dá)到最佳的優(yōu)化設(shè)計，還要研究多層結(jié)構(gòu)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(yīng)用領(lǐng)域采用空心變壓器。探討空心變壓器的結(jié)構(gòu)、設(shè)計方法、制造工藝和應(yīng)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(lǐng)域中得到了實際應(yīng)用。

　　采用計算機對整體結(jié)構(gòu)方案進(jìn)行優(yōu)化和具體設(shè)計，是現(xiàn)在各種電子器件的主要發(fā)展方向之一，當(dāng)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(shè)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(jié)構(gòu)

　　磁芯在采用軟磁材料，以電磁感應(yīng)原理工作的高頻電子變壓器中是最關(guān)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(jié)構(gòu)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(jìn)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(dǎo)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(dǎo)率，雖然初始磁導(dǎo)率不高，只有10000左右。高磁導(dǎo)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(yīng)物內(nèi)部的化學(xué)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(jié)法(SPS)，可以成功地制成多層MnZn鐵氧體和坡莫合金復(fù)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(dǎo)率高飽和磁密特性，這種復(fù)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(jié)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(dá)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?，F(xiàn)在硅鋼使用的工作頻率已達(dá)到325kHz。

　　高磁導(dǎo)坡莫合金的特點是磁導(dǎo)率高，環(huán)境適應(yīng)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(shè)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(fù)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(dǎo)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(shù)，注塑成復(fù)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(fù)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(fù)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(fù)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(jié)構(gòu)的發(fā)展要求，磁芯結(jié)構(gòu)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(jìn)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(fù)合材料磁芯。片式變壓器的磁芯除了將平面磁芯進(jìn)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(jié)構(gòu)，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(yīng)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(quán)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(jié)構(gòu)

　　隨著高頻電子變壓器整體結(jié)構(gòu)的發(fā)展，線圈結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)。各種線圈結(jié)構(gòu)的材料選用，也有一些新發(fā)展。

　　立體結(jié)構(gòu)的高頻變壓器線圈，導(dǎo)線材料由于考慮集膚效應(yīng)和鄰近效應(yīng)，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(dǎo)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(shù)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(yīng)用，取得良好的效果，估計在高頻電子變壓器中也會得到應(yīng)用。

　　平面結(jié)構(gòu)線圈，導(dǎo)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(jié)構(gòu)線圈，導(dǎo)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(jié)構(gòu)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?？傊∧ぷ儔浩魇乾F(xiàn)在正在大力開發(fā)的高頻電子變壓器，許多結(jié)構(gòu)并不定型，也許，還會出現(xiàn)許多新的線圈結(jié)構(gòu)。

　　3結(jié)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(jié)構(gòu)、磁芯材料和結(jié)構(gòu)、線圈材料和結(jié)構(gòu)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(shù)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(yīng)當(dāng)對電子變壓器行業(yè)起到引導(dǎo)作用，但是，必須對發(fā)表的各種意見，進(jìn)行適當(dāng)?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。