提升開關電源效率 從選擇變壓器磁芯開始

近年來，電源中電子變壓器所用的鐵心材料和導電材料價格連續(xù)上漲，上游原材料形成賣方市場。作為下游的電子變壓器的電源用戶，可以在全球范圍內選擇和采購，形成買方市場。處于中間位置的電子變壓器行業(yè)，只有走技術創(chuàng)新之路，才能擺脫這種兩頭受氣的困境。然而，在成熟的電子變壓器行業(yè)里，技術創(chuàng)新比較困難。但是每一個細小環(huán)節(jié)的改進，就可以帶來新的理念和新的產(chǎn)品。

走技術創(chuàng)新之路，要時刻記住要達到的目的。電源中的電子變壓器，象所有作為商品的產(chǎn)品一樣進行任何技術創(chuàng)新，都必須在具體使用條件下完成具體功能中，追求性能價格比最好。現(xiàn)在的電源產(chǎn)品，普遍以“輕、薄、短、小”為特點向小型化和便攜化發(fā)展。電子變壓器必須適應作為用戶的電源產(chǎn)品對體積和重量的要求。同時，電子變壓器的原材料(鐵心材料和導電材料)價格上漲。因此，如何減小體積和重量，如何降低成本，成為近年來電子變壓器發(fā)展的主要方向。

硅鋼是工頻電源中電子變壓器大量使用的鐵心材料。要減少電子變壓器中的鐵心用量，必須提高硅鋼的工作磁通密度(工作磁密)。硅鋼的工作磁密既決定于飽和磁通密度，又決定于損耗。因為效率是電子變壓器的重要性能指標，現(xiàn)在，為了節(jié)能，許多電源產(chǎn)品都提出待機損耗要求。電子變壓器的鐵心損耗是待機損耗的主要組成部分，因此，都對電子變壓器的效率或損耗提出明確的嚴格要求。

2008年以來，取向和無取向冷軋硅鋼價格上漲，卷繞式環(huán)形鐵心，相比于R型、CD型和EI型鐵心，由于消耗材料少，可以節(jié)約20%以上的鐵心材料成本，擴大了電子變壓器中的使用范圍。卷繞式環(huán)形鐵心可以充分發(fā)揮取向冷軋硅鋼的性能，與無取向冷軋鋼相比，工作磁密要高得多。同時不象R型、CD型和EI型的鐵心那樣，可以充分利用硅鋼材料，不會有邊角廢料，材料利用率可以達到98%以上。

作為電子變壓器一大類的工頻變壓器，采用工作磁密高的鐵心材料后，可以不減少鐵心截面和體積，而是減少線圈匝數(shù)，減少用銅量。在現(xiàn)在銅材價格遠遠高于鐵心材料的情況下，可能是更好的一種設計改進方案。

軟磁鐵氧體是中、高頻電源中電子變壓器大量使用的鐵心材料，和金屬軟磁材料相比，軟磁鐵氧體的飽和磁密低，磁導率低，居里溫度低，是它的幾大弱點。尤其是居里溫度低，飽和磁密Bs和單位體積功率損耗Pcv都會隨溫度變化。溫度上升，Bs下降，Pcv開始下降，到谷點后再升高。因此在高溫條件下，只要Bs保持較高水平，就可以把工作磁密Bm選得高一些，從而減少線圈匝數(shù)，降低用銅量和成本。高溫高飽和磁密軟磁鐵氧體材料，還可以擴大電子變壓器使用的溫度上限到120益甚至150益。

例如，汽車用電子設備中的高頻電子變壓器，在外界溫度條件變化大和發(fā)動機室發(fā)熱的高溫條件下工作，就必須采用高溫高飽和磁密軟磁鐵氧體。軟磁復合材料(SMC)是上世紀90年代開發(fā)出來的新型軟磁材料，其出發(fā)點是想把金屬軟磁材料的工作頻率向MHz級和GHz級擴展，因此將金屬軟磁材料與其他高電阻材料，如石英、陶瓷、高分子材料等復合在一起，只要控制金屬軟磁材料的體積百分數(shù)在逾滲極限以下，就有可能保持軟磁特性，又減少各種高頻率損耗，成為一種新的軟磁材料――軟磁復合材料，取英文名稱的第一個字母，簡稱SMC材料。軟磁復合材料中的磁性粒子可以是純鐵、鎳、鈷金屬、鐵鎳合金、鐵鎳鉬合金、鐵鋁合金、鐵基非晶合金、鐵基納米晶合金和軟磁鐵氧體經(jīng)過粉碎后制成的粉末。

非磁性物體可以是二氧化硅等絕緣體，硅樹脂、聚乙烯、環(huán)氧樹脂等高分子材料作粘接劑和硬脂酸等作潤滑劑。磁性粒子和非磁性物體混合后，可以經(jīng)過絕緣處理、壓制成形、燒結等工藝加工成磁粉芯，也可以采用現(xiàn)在的塑料工程技術，注塑成各種復雜形狀的磁芯。軟磁復合材料的優(yōu)點是密度小，重量輕，生產(chǎn)效率高，成本低，產(chǎn)品一致性好。缺點是由于磁粒子之間被非磁性物體隔開，磁性阻斷，磁導率現(xiàn)在一般都在100以內，最近報導通過納米技術和其他措施，已開發(fā)出磁導率超過1000的軟磁復合材料，最大可達6000。

高分子軟磁復合材料近年來發(fā)展迅速，在國外已用這種材料制造高頻電源變壓器和電感器，并建立相應的分析理論和設計程序。據(jù)作者所知，國內雖然進行了高分子軟磁材料的研究開發(fā)，但是還未見到用于電源中電子變壓器的報道。

現(xiàn)在，國內正在開發(fā)用于電源中電子變壓器的各種鋁導線。一些企業(yè)已經(jīng)開發(fā)出銅包鋁導線，銅線在外層，占面積15%，總比重為3.63g/cm3，考慮趨表效應和鄰近效應，這種銅包鋁導線的電阻率比純鋁線會小不少，而成本增加不多，是一種充分發(fā)揮銅和鋁效果的復合材料。

近年來另一值得注意的發(fā)展趨勢，是選用溫度指數(shù)高、耐熱等級高的180聚酯亞胺QZY漆包線和220聚酰亞胺QYZ漆包線，導線允許的電流密度增大，導線直徑減少，用銅量減少，鐵心窗口面積減少,用鐵量也同時減少，可以降低整體成本。特別是對要求體積小的高頻小功率電源變壓器，采用耐熱性更好的漆包線,更能顯出技術經(jīng)濟效益。

電源技術和電力電子技術中包含的交流電壓變換技術，是一種“純粹的”電子變壓器，也能把低壓變成高壓進行升壓變換，或者把高壓變成低壓進行降壓變換，其主要方法是采用電力電子技術提高電能變換頻率，從而縮小電路中的變壓器和電感器的體積，并不是取消其中的變壓器和電感器。以前，對這種把電力電子電路和電子變壓器結合起來的方法，沒有引起足夠的重視。

近年來，隨著電力系統(tǒng)要求減少輸入和輸出諧波，提高網(wǎng)側功率因數(shù)，實現(xiàn)“綠色變換”的呼聲日益高漲，國內外開展了“電力電子變壓器”的研究，才興起了研究開發(fā)熱潮。研究如何用電力電子技術對電力進行變換和控制，用電力電子變壓器代替?zhèn)鹘y(tǒng)的電磁式配電變壓器?，F(xiàn)在已有單相變換和三相變換等多種電路形式，這種電力電子變壓器不但可以用于高壓大電流電力領域，也可以用于高壓或低壓小電流領域，例如一些高壓電源發(fā)生器和小功率調壓電源等。