電源中電子變壓器的一些新進展

引言

　　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。因此，本文從新材料、新結構、新原理、新產(chǎn)品四個方面介紹近年來電源中電子變壓器的一些新進展，供讀者參考，如果有什么不當之處敬請指正。

　　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?，F(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。

　　1 新材料

　　1.1 硅鋼

  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。

　　近年來，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。

　　近年來，冷軋取向硅鋼有相當大的改進。國產(chǎn)23Q110 的0.23mm取向冷軋硅鋼，在工作磁通密度1.7 T和50 Hz 下，單位重量損耗為1.10 W/kg。日本產(chǎn)的0.23 mm 厚度的取向冷軋硅鋼P1.7/50 為0.88W/kg。硅鋼帶材表面處理后涂張力涂層，P1.7/50下降到0.7W/kg。改變退火工藝，細化磁疇，P1.7/50再下降到0.55~0.45W/kg，遠遠低于0.35mm厚無取向冷軋硅鋼在工作磁密1.5T和50Hz 下（P1.5/50）的2W/kg。在保證同樣損耗條件下，0.23mm 厚度取向冷軋硅鋼工作磁密度可以達到1.85T，如果選取它加工環(huán)形鐵心，比用無取向冷軋硅鋼的工作磁密1.5 T 高1.23 倍，鐵心截面和體積可減少23%以上。

　　現(xiàn)在手機充電器和家用電器的電源適配器中，大量使用EI 型鐵心工頻電源變壓器，有時會出現(xiàn)過熱現(xiàn)象。EI 型鐵心由EI 形沖片疊成，E 形沖片中有五分之一長度與縱向（取向方向）正交，要承受橫向磁場，一般都用無取向冷軋硅鋼。近年來日本川崎公司開發(fā)出可用于EI 型鐵心的RGE系列取向冷軋硅鋼，厚度為0.35 mm，縱向飽和磁密為1.80~1.90 T，橫向飽和磁密為1.825T，損耗P1.7/50為1.10~1.25W/kg。同時，絕緣膜比較薄，沖壓加工性能良好，用它制作鐵心，工作磁密可取1.7T以上，比用無取向冷軋硅鋼高15%，鐵心截面和體積可以減少15%以上，損耗也大大下降，不會再出現(xiàn)過熱現(xiàn)象。日本川崎公司還開發(fā)出飽和磁密高的無取向冷軋鋼，厚度為0.5mm，硅含量小于1%，為0.6%，鋁含量為0.3%，加0.52%鎳后，飽和磁密為1.96T，損耗P1.5/50為3W/kg。采用它作為EI型鐵心材料，工作磁密也可取1.7T，但損耗較大。

　　值得注意的是：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。  

 1.2 軟磁鐵氧體 

　　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。 

　　作為中、高頻電子變壓器用的MnZn 軟磁鐵氧體，以日本TDK 公司為代表，大致經(jīng)歷了PC30→PC40→PC44→PC50→PC47→PC95→PC90的發(fā)展過程。在100℃、100kHz、200mT 測試條件下，單位體積功率損耗不斷下降。根據(jù)該公司2006年4 月份公布的數(shù)據(jù)，PC30 為600mW/cm3；PC40 為420 mW/cm3；PC44 為340 mW/cm3；PC47為270 mW/cm3。但是100益下的飽和磁密Bs，PC30、PC40、PC44 基本上都為390 mT，PC47 為410 mT，與理論值600 mT 相差甚遠，不能認為是高溫高飽和磁密材料。

　　近年來，為了在電子變壓器應用領域和金屬軟磁材料競爭，興起一輪開發(fā)高溫高飽和磁密MnZn 鐵氧體材料的熱潮。日本FDK公司于2003年3 月份開發(fā)出4H 系列高溫高飽和磁密材料。其中4H45 和4H47 在25℃下，Bs 分別為520 mT和530mT，100℃下分別為450mT和470mT，但在100℃下，功率損耗Pcv比較高，分別為450mW/cm3和  
650mW/ cm3。據(jù)稱，F(xiàn)DK 公司在實驗室條件下開發(fā)出4H50 材料，100℃下Bs 為490 mT，但是Pcv相當大，為800mW/ cm3。日本TDK公司于2004 年9月開發(fā)出PC90 材料，在25℃下，Bs為540mT，Pcv為680 mW/ cm3；在100℃下，Bs 為450 mT，Pcv 為320mW/ cm3，高于4H45 材料水平。TOKIN公司開發(fā)出BH3 材料，在25℃下，其Bs 為540 mT，Pcv 為600 mW/ cm3；而在100℃下，Bs 為440 mT，Pcv 為370 mW/ cm3。NICERA公司開發(fā)出BM30 材料，25℃下Bs 為540 mT，Pcv 為720 mW/ cm3；在100℃下，Bs為450mT，Pcv為320mW/ cm3。日立金屬公司開發(fā)出來的高鐵低鋅鐵氧體材料，Bs在25℃下，為563 mT；在100℃下為560 mT，基本不變，150℃為490 mT，但是在100℃、100 kHz、200 mT 測試條件下，Pcv為1700mW/ cm3，偏高，需要改進。

　　許多電源設備不但要求電子變壓器在工作狀態(tài)下，也就是在高溫時損耗要小，同時還要求待機情況下，也就是在常溫時損耗也要小。這些電子變壓器可以采用寬溫低功耗軟磁鐵氧體。日本TDK公司開發(fā)的PC95 就是近年來出現(xiàn)的高水平寬溫鐵氧體材料。25℃時，功耗Pcv為350mW/ cm3，80℃時為280mW/ cm3，100℃為290mW/ cm3，120℃時為350mW/ cm3，在100℃時飽和磁密為410mT。

　　近年來，還開發(fā)出一系列高磁導率μ軟磁鐵氧體材料，作為電子電源設備中脈沖變壓器用的，要求磁導率μ相對較高，有TDK 公司的H5C3，μ為15 000