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高频电子变压器及其发展方向

作者:易发体育 发布日期:2021-02-14 11:24



  ,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。

  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。

  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。

  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。

  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Tc290℃,在100℃下,Bs为450mT。在100℃,100kHz×200mT条件下,Pc1100mW/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,i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,i为5200左右,居里温度Tc210℃。

  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