高頻電子變壓器及其發(fā)展方向

摘要：詳細(xì)分析了變壓器、電子變壓器、高頻電子變壓器的概念，并從整體結(jié)構(gòu)、磁芯和線圈幾個(gè)方面，把高頻電子變壓器的發(fā)展方向具體化。

關(guān)鍵詞：高頻電子變壓器；整體結(jié)構(gòu)；磁芯；線圈

0    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(gè)焦點(diǎn)，一本專業(yè)技術(shù)雜志（以下簡稱雜志），對(duì)這個(gè)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(cuò)誤的地方，敬請(qǐng)批評(píng)指正。

1    高頻電子變壓器

    什么是高頻電子變壓器？有一個(gè)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(gè)準(zhǔn)確的定義”。其實(shí)，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(hào)），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(jí)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(shí)間內(nèi)傳輸能量的次數(shù)多，每一次傳輸?shù)哪芰靠梢陨?，則變壓器用的材料少，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(kuò)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(hào)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(huì)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(duì)電子變壓器工作頻率的高、中、低劃分有一個(gè)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?yàn)椋?0kHz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(jí)、GHz級(jí)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(gè)誤解：一個(gè)是20kHz，不同于幾十kHz。一個(gè)是幾GHz，不是幾兆kHz（作者注：請(qǐng)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(bào)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?yàn)檫m用的功率不同，而對(duì)高頻有不同的理解。那種對(duì)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(diǎn)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(shí)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(diǎn)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(gè)“化”的口號(hào)，就能“對(duì)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(jià)格比為出發(fā)點(diǎn)，提出比較詳細(xì)的發(fā)展方向，才可能對(duì)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(duì)“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(gè)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(gè)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(duì)設(shè)計(jì)方面和生產(chǎn)工藝方面也帶來新的發(fā)展方向。在設(shè)計(jì)方面，除了要研究各種新結(jié)構(gòu)的電磁場(chǎng)分布，如何達(dá)到最佳的優(yōu)化設(shè)計(jì)，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(shí)現(xiàn)加工工藝的機(jī)械化和自動(dòng)化等。

    在MHz級(jí)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(jì)方法、制造工藝和應(yīng)用特點(diǎn)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(shí)際應(yīng)用。

    采用計(jì)算機(jī)對(duì)整體結(jié)構(gòu)方案進(jìn)行優(yōu)化和具體設(shè)計(jì)，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(gè)主要發(fā)展方向。這樣可以縮短設(shè)計(jì)時(shí)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(duì)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(jìng)爭(zhēng)高頻電子變壓器的市場(chǎng)。

    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(shí)損耗最小，為280mW/cm3。25℃時(shí)Bs為540mT，100℃時(shí)，Bs為420mT。還開發(fā)出高溫高飽和磁密材料PE33，居里點(diǎn)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。抗電磁干擾電感器用HS10，同時(shí)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(shí)Bs為550mT，在100℃時(shí)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(diǎn)，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(gè)工藝極為簡單，能耗低，生產(chǎn)效率與產(chǎn)品純度高，對(duì)環(huán)境無污染，已經(jīng)成功合成Mg、MgZn、MnZn、NiZn鐵氧體，正在實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。火花等離子燒結(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(shí)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(jī)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(jià)格比的優(yōu)勢(shì)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(jìng)爭(zhēng)。各種軟磁材料都有各自的特點(diǎn)，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(diǎn)以達(dá)到更好的性能價(jià)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(diǎn)是飽和磁密高，性能穩(wěn)定，價(jià)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。現(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(diǎn)是磁導(dǎo)率高，環(huán)境適應(yīng)性好，但是價(jià)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(jià)格貴，但是，在200kHz以上的高頻中使用，磁芯重量小，價(jià)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(shí)，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(diǎn)。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(gè)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(shí)產(chǎn)權(quán)的薄膜變壓器，作者正在努力促成這項(xiàng)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(shí)也采用扁銅線和銅帶。絕緣材料采用耐熱等級(jí)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(gè)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(jí)絕緣電磁線，已經(jīng)在工頻電機(jī)和變壓器中應(yīng)用，取得良好的效果，估計(jì)在高頻電子變壓器中也會(huì)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(gè)折疊而成的。絕緣材料一般采用B級(jí)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(yùn)動(dòng)場(chǎng)形等圖形，絕緣材料采用H級(jí)和C級(jí)材料。也有采用多層結(jié)構(gòu)的，或者是幾個(gè)多層線圈組合起來，或者是幾個(gè)線圈和幾個(gè)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(huì)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(gè)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(chǎng)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(duì)電子變壓器行業(yè)起到引導(dǎo)作用，但是，必須對(duì)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(bǔ)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(cuò)誤，不能不表示遺憾。

    從雜志分為市場(chǎng)資訊版和技術(shù)版以來。類似這篇文章中的誤解和誤導(dǎo)還有不少，其中有一篇文章，連專業(yè)人士讀后都難于理解，不知廣大讀者會(huì)怎么看？只能說明雜志的技術(shù)版也好，市場(chǎng)資訊版也好，編輯都應(yīng)對(duì)專業(yè)技術(shù)問題有所了解，才會(huì)使雜志對(duì)電子變壓器行業(yè)起到一定的引導(dǎo)作用。如果要有“極大的指導(dǎo)意義”，更需要“極大的”努力才行。這也算是作者的一點(diǎn)希望吧！