电源中电子变压器的一些新进展

近年来，电源中电子变压器所用的铁心材料和导电材料价格连续上涨，上游原材料形成卖方市场。作为下游的电子变压器的电源用户，可以在全球范围内选择和采购，形成买方市场。处于中间位置的电子变压器行业，只有走技术创新之路，才能摆脱这种两头受气的困境。然而，在成熟的电子变压器行业里，技术创新比较困难。但是每一个细小环节的改进，就可以带来新的理念和新的产品。因此，本文从新材料、新结构、新原理、新产品四个方面介绍近年来电源中电子变压器的一些新进展，供读者参考，如果有什么不当之处敬请指正。
　　走技术创新之路，要时刻记住要达到的目的。电源中的电子变压器，象所有作为商品的产品一样进行任何技术创新，都必须在具体使用条件下完成具体功能中，追求性能价格比最好。现在的电源产品，普遍以“轻、薄、短、小”为特点向小型化和便携化发展。电子变压器必须适应作为用户的电源产品对体积和重量的要求。同时，电子变压器的原材料（铁心材料和导电材料）价格上涨。因此，如何减小体积和重量，如何降低成本，成为近年来电子变压器发展的主要方向。
　　1 新材料
　　1.1 硅钢
硅钢是工频电源中电子变压器大量使用的铁心材料。要减少电子变压器中的铁心用量，必须提高硅钢的工作磁通密度（工作磁密）。硅钢的工作磁密既决定于饱和磁通密度，又决定于损耗。因为效率是电子变压器的重要性能指标，现在，为了节能，许多电源产品都提出待机损耗要求。电子变压器的铁心损耗是待机损耗的主要组成部分，因此，都对电子变压器的效率或损耗提出明确的严格要求。
　　近年来，取向和无取向冷轧硅钢价格上涨，卷绕式环形铁心，相比于R型、CD型和EI 型铁心，由于消耗材料少，可以节约20%以上的铁心材料成本，扩大了电子变压器中的使用范围。卷绕式环形铁心可以充分发挥取向冷轧硅钢的性能，与无取向冷轧钢相比，工作磁密要高得多。同时不象R型、CD型和EI 型的铁心那样，可以充分利用硅钢材料，不会有边角废料，材料利用率可以达到98%以上。
　　近年来，冷轧取向硅钢有相当大的改进。国产23Q110 的0.23mm取向冷轧硅钢，在工作磁通密度1.7 T和50 Hz 下，单位重量损耗为1.10 W/kg。日本产的0.23 mm 厚度的取向冷轧硅钢P1.7/50 为0.88W/kg。硅钢带材表面处理后涂张力涂层，P1.7/50下降到0.7W/kg。改变退火工艺，细化磁畴，P1.7/50再下降到0.55~0.45W/kg，远远低于0.35mm厚无取向冷轧硅钢在工作磁密1.5T和50Hz 下（P1.5/50）的2W/kg。在保证同样损耗条件下，0.23mm 厚度取向冷轧硅钢工作磁密度可以达到1.85T，如果选取它加工环形铁心，比用无取向冷轧硅钢的工作磁密1.5 T 高1.23 倍，铁心截面和体积可减少23%以上。
　　现在手机充电器和家用电器的电源适配器中，大量使用EI 型铁心工频电源变压器，有时会出现过热现象。EI 型铁心由EI 形冲片叠成，E 形冲片中有五分之一长度与纵向（取向方向）正交，要承受横向磁场，一般都用无取向冷轧硅钢。近年来日本川崎公司开发出可用于EI 型铁心的RGE系列取向冷轧硅钢，厚度为0.35 mm，纵向饱和磁密为1.80~1.90 T，横向饱和磁密为1.825T，损耗P1.7/50为1.10~1.25W/kg。同时，绝缘膜比较薄，冲压加工性能良好，用它制作铁心，工作磁密可取1.7T以上，比用无取向冷轧硅钢高15%，铁心截面和体积可以减少15%以上，损耗也大大下降，不会再出现过热现象。日本川崎公司还开发出饱和磁密高的无取向冷轧钢，厚度为0.5mm，硅含量小于1%，为0.6%，铝含量为0.3%，加0.52%镍后，饱和磁密为1.96T，损耗P1.5/50为3W/kg。采用它作为EI型铁心材料，工作磁密也可取1.7T，但损耗较大。
　　值得注意的是：作为电子变压器一大类的工频变压器，采用工作磁密高的铁心材料后，可以不减少铁心截面和体积，而是减少线圈匝数，减少用铜量。在现在铜材价格远远高于铁心材料的情况下，可能是更好的一种设计改进方案。
1.2 软磁铁氧体
　　软磁铁氧体是中、高频电源中电子变压器大量使用的铁心材料，和金属软磁材料相比，软磁铁氧体的饱和磁密低，磁导率低，居里温度低，是它的几大弱点。尤其是居里温度低，饱和磁密Bs和单位体积功率损耗Pcv 都会随温度变化。温度上升，Bs下降，Pcv 开始下降，到谷点后再升高。因此在高温条件下，只要Bs保持较高水平，就可以把工作磁密Bm选得高一些，从而减少线圈匝数，降低用铜量和成本。高温高饱和磁密软磁铁氧体材料，还可以扩大电子变压器使用的温度上限到120益甚至150益。例如，汽车用电子设备中的高频电子变压器，在外界温度条件变化大和发动机室发热的高温条件下工作，就必须采用高温高饱和磁密软磁铁氧体。
　　作为中、高频电子变压器用的MnZn 软磁铁氧体，以日本TDK 公司为代表，大致经历了PC30→PC40→PC44→PC50→PC47→PC95→PC90的发展过程。在100℃、100kHz、200mT 测试条件下，单位体积功率损耗不断下降。根据该公司2006年4 月份公布的数据，PC30 为600mW/cm3；PC40 为420 mW/cm3；PC44 为340 mW/cm3；PC47为270 mW/cm3。但是100益下的饱和磁密Bs，PC30、PC40、PC44 基本上都为390 mT，PC47 为410 mT，与理论值600 mT 相差甚远，不能认为是高温高饱和磁密材料。
　　近年来，为了在电子变压器应用领域和金属软磁材料竞争，兴起一轮开发高温高饱和磁密MnZn 铁氧体材料的热潮。日本FDK公司于2003年3 月份开发出4H 系列高温高饱和磁密材料。其中4H45 和4H47 在25℃下，Bs 分别为520 mT和530mT，100℃下分别为450mT和470mT，但在100℃下，功率损耗Pcv比较高，分别为450mW/cm3和
650mW/ cm3。据称，FDK 公司在实验室条件下开发出4H50 材料，100℃下Bs 为490 mT，但是Pcv相当大，为800mW/ cm3。日本TDK公司于2004 年9月开发出PC90 材料，在25℃下，Bs为540mT，Pcv为680 mW/ cm3；在100℃下，Bs 为450 mT，Pcv 为320mW/ cm3，高于4H45 材料水平。TOKIN公司开发出BH3 材料，在25℃下，其Bs 为540 mT，Pcv 为600 mW/ cm3；而在100℃下，Bs 为440 mT，Pcv 为370 mW/ cm3。NICERA公司开发出BM30 材料，25℃下Bs 为540 mT，Pcv 为720 mW/ cm3；在100℃下，Bs为450mT，Pcv为320mW/ cm3。日立金属公司开发出来的高铁低锌铁氧体材料，Bs在25℃下，为563 mT；在100℃下为560 mT，基本不变，150℃为490 mT，但是在100℃、100 kHz、200 mT 测试条件下，Pcv为1700mW/ cm3，偏高，需要改进。
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