高频电子变压器及其发展方向

    摘　要：详细分析了变压器、电子变压器、高频电子变压器的概念，并从整体结构、磁芯和线圈几个方面，把高频电子变压器的发展方向具体化。 关键词：高频电子变压器；整体结构；磁芯；线圈 引言 高频电子变压器和它的发展方向，最近成为电子变压器行业关注的一个焦点，一本专业技术杂志（以下简称杂志），对这个问题发表了“专题特写”，汇集了几位专业人士的一些看法。作者也来写一篇文章，和读者共同讨论，如果有错误的地方，敬请批评指正。 1　高频电子变压器 什么是高频电子变压器？有一个准确的定义，就是工作频率高的电子变压器，一般工作频率高于20kHz，就是高频。但是读了杂志发表的几位专业人士的意见后，把本来明确的高频电子变压器的概念，弄得糊涂了。如其中一位专业人士说：“行业内没有人准确下定义，也没有人做过学术的整合，因此，至今也没有一个准确的定义”。其实，高频电子变压器的定义是非常明确的，只不过被杂志上所发表的一些见解误导了。下面为了还高频电子变压器的本来面目，有必要弄清变压器、电子变压器、高频电子变压器的概念，以便消除那些误解。 首先，弄清什么是变压器？以电磁感应原理工作的变压器，是指在线圈原边绕组加交变电压，产生交变磁通，在副边绕组感生输出电压，从而起到传输能量，变换电压（或信号），电气绝缘隔离的作用。 要产生电磁感应，原边绕组必须加交变电压，不可能有直流电压作工作电源的变压器。那种把直流电压作工作电源的说法，是把直流变交流的逆变器，或者变频电源包括在变压器的范围内的一种误解。 只要有电磁感应存在，变压器就可以工作，而不一定要有磁芯，例如，工作频率为MHz级的电子变压器，就是由印刷电路板制作的空心变压器。那种把高频电子变压器说成是“用在具有变频电路中的磁性变压器件”的说法，属于既把变频电路包括在变压器范围内，又认为变压器一定要有磁芯的双重误解。 变压器不论工作频率高低，都是通过电磁感应来传输能量的。传输能量的大小，与变压器所用的材料、结构、尺寸和工作频率有关。如果传输的能量为定值，工作频率高，在一定时间内传输能量的次数多，每一次传输的能量可以少，则变压器用的材料少，结构尺寸小。那种认为变压器传输能量有限，要用高频来增加传输能量的说法，是一种本末倒置的误解。用脉宽调制（PWM）方式改变变压器传输能量和电压大小，只是一种外加控制方法，不单高频变压器可以用，低频变压器也可以用。那种认为有PWM控制后，高频变压器和低频变压器传输能量方式有差异，高频变压器和低频变压器改变电压的方式有差异的说法，也是一种误解。 其次，弄清什么是电子变压器？电子变压器是在电子电路和电子设备中使用的变压器。如果把范围扩大一些，包括所有电子电路和电子设备中使用的变压器、电感器、互感器等电磁元件。电子并不只限于功率电子（国内更通用的术语是电力电子），还包括工业电子、信息电子、无线电子和微电子，电子变压器虽然区别于电力变压器，但是并不区别于射频信号变压器，也不只限于“开关功率变换器电路中的功率变压器”。功率变压器只是电子变压器中的一种。如果把电子变压器只看成功率变压器，难免会画地为牢。杂志专题特写中有位专业人士发表的有关电感器的内容，岂不是自己否定自己吗？所以，把电子只限于功率电子，把电子变压器只限于功率变压器的说法是一种误解。再其次，弄清什么是高频电子变压器？现在，对电子变压器工作频率的高、中、低划分有一个通行的说法，即工作频率50Hz或60Hz叫工频，或者在它以下的叫低频；60Hz至20kHz叫中频， 400Hz是中频，而不是工频；20kHz以上叫高频。为什么选20kHz为界限？因为，20kHz是声频上限，超过它就听不见可闻噪声。所以，工作频率超过20kHz，从20kHz起到MHz级、GHz级是高频。那种把“应用频率范围从几十kHz到几兆kHz的”电子变压器的提法，有两个误解：一个是20kHz，不同于几十kHz。一个是几GHz，不是几兆kHz（作者注：请按规范的词头，不能自己乱造）。工作频率几GHz的开关功率变换电路中的功率变压器，作者未见过国内外的报导，希望杂志能指明其来源。 高频中还可以划分成较高频（20kHz～ 50kHz）、中高频（50kHz～200kHz）、高频（200kHz～1MHz）、超高频（1MHz以上），但都属于高频，并不因为适用的功率不同，而对高频有不同的理解。那种对不同功率下，高频有不同范围的说法，是一种误解。 2　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。如果提几个“化”的口号，就能“对电子变压器行业有极大的指导意义”，岂不是太容易了吗？应当从高频化给电子变压器带来一系列问题，通过解决这些问题，从而提高性能降低成本，也就是追求最好的性能价格比为出发点，提出比较详细的发展方向，才可能对行业有一定的指导意义。杂志发表的专题特写中，有些专业人士也发表了一些具体意见，可惜有的没作进一步说明，有的只针对“输出电感器”，即不深入，又不全面，希望杂志能作出比较深入和全面的关于高频电子变压器的发展方向的阐述。 下面作者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，供读者参考。 2.1　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。探讨空心变压器的结构、设计方法、制造工艺和应用特点也是其研究和发展方向。另外，压电变压器等新工作原理的高频电子变压器的研究也是发展方向，经过近十年的研究开发，压电变压器已经在一些领域中得到了实际应用。 采用计算机对整体结构方案进行优化和具体设计，是现在各种电子器件的主要发展方向之一，当然也是高频电子变压器的一个主要发展方向。这样可以缩短设计时间，减少材料用量，缩短生产周期，降低成本。 2.2　磁芯材料和结构 磁芯在采用软磁材料，以电磁感应原理工作的高频电子变压器中是最关键的部件。磁芯材料的主要发展方向是降低损耗，加宽使用的温度范围和降低成本。磁芯结构的主要发展方向是如何形成形状和尺寸最佳（对电磁性能、散热、用量和成本等参数）的平面磁芯、片式磁芯和薄膜磁芯。 现在各种软磁材料，都在不断地改进和开发，以竞争高频电子变压器的市场。 软磁铁氧体是现在高频电子变压器使用的主要磁芯材料，发展方向是开发性能更好的新品种和降低成本的新工艺。在材料新品种方面，日本 TDK公司在2003年开发出宽温低损耗材料 PC95，在25℃～120℃温度范围内损耗都小于350mW/cm3（在100kHz×200mT条件下）。在 80℃时损耗最小，为280mW/cm3。25℃时Bs为 540mT，100℃时，Bs为420mT。还开发出高温高饱和磁密材料PE33，居里点Tc>290℃，在100℃ 下，Bs为450mT。在100℃，100kHz×200mT条件下，Pc≤1100mW/cm3，日本FDK公司，德国 EPCOS公司、Ferrocube公司也开发出类似的高温高饱和磁密材料。 高磁导率材料也有许多新品种，如TDK公司的脉冲变压器用H5C5，μi为30000左右。抗电磁干扰电感器用HS10，同时具有良好的频率特性和阻抗特性，在500kHz仍具有较高磁导率，虽然初始磁导率不高，只有10000左右。高磁导率高饱和磁密材料DN50，在25℃时Bs为550mT，在100℃时Bs为380mT，μi为5200左右，居里温度Tc≥210℃。 在新工艺方面，自蔓延高温合成法（SHS）是近年来的研究热点，其原理是利用反应物内部的化学能来合成材料。整个工艺极为简单，能耗低，生产效率与产品纯度高，对环境无污染，已经成功合成Mg、MgZn、MnZn、NiZn铁氧体，正在实现产业化。火花等离子烧结法（SPS），可以成功地制成多层MnZn铁氧体和坡莫合金复合软磁材料磁芯，同时具有MnZn铁氧体的高频低损耗特性和坡莫合金的高磁导率高饱和磁密特性，这种复合软磁材料磁芯，将使高频电子变压器的性能明显地提高。其他工艺如自燃烧合成法、快速燃烧合成法、水热合成法、新型水热合成法、机械合金法、微波烧结等，近年来均开展了大量研究，都符合提高性能和降低成本的发展方向。 由于软磁铁氧体的饱和磁密低，在20kHz～100kHz的较高频范围内，性能价格比的优势不如100kHz以上的高频范围那样明显，其他几种软磁材料在20kHz～100kHz的较高频范围内，与软磁铁氧体展开激烈的竞争。各种软磁材料都有各自的特点，因此，如何在具体的高频电子变压器产品中，充分发挥各种软磁材料的优点以达到更好的性能价格比，是高频电子变压器所用的软磁材料的发展方向。 硅钢的特点是饱和磁密高，性能稳定，价格较低，近年来发展了一系列高频用硅钢，包括超薄带硅钢、6.5％硅钢、梯度硅钢和含铬的硅钢。特别是含铬的硅钢已经用于25kHz和70kHz的电子变压器中。现在硅钢使用的工作频率已达到325kHz。 高磁导坡莫合金的特点是磁导率高，环境适应性好，但是价格贵，近年来发展的坡莫合金超薄带，使用的工作频率已超过1MHz，在特殊要求的地方和军工设备中使用。钴基非晶合金是现有软磁材料中高频损耗最低的一种材料，价格贵，但是，在200kHz以上的高频中使用，磁芯重量小，价格因素不突出，目前在 200kHz和1MHz的高频电子变压器中大量使用。 软磁复合材料现在成为高频电子变压器用磁芯材料的一大发展方向，它与传统的软磁铁氧体和软磁合金相比，其磁性金属粒子或者薄膜，可以分布在非导体和其他材料中，使高频损耗明显降低，提高了工作频率。同时，其加工工艺既可采用热压法加工成粉芯，也可以利用现在的塑料工程技术，注塑成复杂形状的磁芯，具有密度小、重量轻、生产效率高、成本低，产品重复性和一致性好等特点。还可以采用不同的配比，改变磁性。上面已介绍软磁铁氧体和坡莫合金组成的复合材料的例子，现在已开发出工作频率10kHz以上的软磁复合材料粉芯，在高频用滤波电感器中可代替软磁铁氧体。 根据高频电子变压器整体结构的发展要求，磁芯结构的发展方向是平面磁芯、片式磁芯和薄膜磁芯。平面磁芯以前有的是用原来的软磁铁氧体磁芯进行改造，现在已有专门用于平面变压器的各种低高度软磁铁氧体磁芯。将来还可能开发出各种低高度软磁复合材料磁芯。片式变压器的磁芯除了将平面磁芯进一步压缩而外，也有采用共烧法制造的片式磁芯。薄膜磁芯和磁性材料是现在高频电子变压器最活跃的发展方向之一，将成为MHz以上高频电子变压器的主要磁芯材料和结构，有可能将薄膜电子变压器的高度做到 1mm以下，可以装入各种卡片内。国内已建立几个中心在大力研究。现在希望能把材料开发，电子变压器制造和应用单位联合起来，尽快把国内开发出的薄膜软磁材料变成电子信息产品中的高频电子变压器磁芯，形成国内有自主知识产权的薄膜变压器，作者正在努力促成这项工作。 2.3　线圈材料和结构 随着高频电子变压器整体结构的发展，线圈结构主要的发展方向是平面线圈，片式线圈和薄膜线圈，其中又包括多层结构。各种线圈结构的材料选用，也有一些新发展。 立体结构的高频变压器线圈，导线材料由于考虑集肤效应和邻近效应，采用多股绞线（里兹线），有时也采用扁铜线和铜带。绝缘材料采用耐热等级高的材料，以便提高允许温升和缩小线圈体积，采用双层和三层绝缘导线，可以减少线圈尺寸。举一个例子，最近，国内开发出以纳米技术把云母泳涂在铜线上的C级绝缘电磁线，已经在工频电机和变压器中应用，取得良好的效果，估计在高频电子变压器中也会得到应用。 平面结构线圈，导线采用铜箔，大多数采用单层和多层印刷电路板制造，也有采用一定图形的铜箔，多个折叠而成的。绝缘材料一般采用B级材料。 薄膜结构线圈，导线采用铜、银和金薄膜，制成梳形、螺旋形、运动场形等图形，绝缘材料采用H级和C级材料。也有采用多层结构的，或者是几个多层线圈组合起来，或者是几个线圈和几个磁芯交叉重叠而成。总之，薄膜变压器是现在正在大力开发的高频电子变压器，许多结构并不定型，也许，还会出现许多新的线圈结构。 3　结语 上面一步一步地分析了变压器、电子变压器、高频电子变压器的概念，希望能澄清一些误解。又从整体结构、磁芯材料和结构、线圈材料和结构几个方面，把高频电子变压器的发展方向具体化，希望能为读者提供一些参考。 作为亚太地区唯一集市场资讯与技术于一体的磁性元件专业期刊，提出讨论高频电子变压器的发展方向问题，应当对电子变压器行业起到引导作用，但是，必须对发表的各种意见，进行适当的编辑和选择，以免出现不必要的误解。如果作一些补充说明，就更好了。这种要求可能是高了一些。在专业杂志上出现“几兆kHz”功率变压器和“磁滞伸缩系数”这样基本概念的错误，不能不表示遗憾。 从杂志分为市场资讯版和技术版以来。类似这篇文章中的误解和误导还有不少，其中有一篇文章，连专业人士读后都难于理解，不知广大读者会怎么看？只能说明杂志的技术版也好，市场资讯版也好，编辑都应对专业技术问题有所了解，才会使杂志对电子变压器行业起到一定的引导作用。如果要有“极大的指导意义”，更需要“极大的”努力才行。这也算是作者的一点希望吧！ 参考文献 1]专题特写.高频电子变压器发展方向[Z].国际电子变压器,2004,(5):46－50. 2]徐泽玮.电源技术与电子变压器[J].电源技术应用,2004,7(1):53－60.