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高频电子变压器及其发展方向




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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!

From:电源技术应用
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