中國電子元件行業(yè)協(xié)會
China Electronic Components Association
聯(lián)系人：李鋒
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高頻電子變壓器就是作頻率高的電子變壓器，具有適用范圍廣，工作頻率高，工作電壓范圍寬，輸出功率大等。廣泛應(yīng)用于各種LED驅(qū)動電源，電源適配器，等各種電子產(chǎn)品。
高頻電子變壓器的功能
高頻電子變壓器從功能上區(qū)分主要有變壓器和電感器2種。特殊元件完成的功能另外討論。
變壓器完成的功能有3個：功率傳送、電壓變換和絕緣隔離。電感器完成功能有2個：功率傳送和紋波抑制。
功率傳送有2 種方式。第一種是變壓器傳送方式，即外加在變壓器原繞組上的交變電壓，在磁芯中產(chǎn)生磁通變化，使副繞組感應(yīng)電壓，加在負(fù)載上，從而使電功率從原邊傳送到副邊。傳送功率的大小決定于感應(yīng)電壓，也就是決定于單位時(shí)間內(nèi)的磁通密度變量ΔB。
ΔB與磁導(dǎo)率無關(guān)，而與飽和磁通密度Bs和剩余磁通密度Br有關(guān)。從飽和磁通密度來看，各種軟磁材料的Bs從大到小的順序?yàn)椋鸿F鈷合金為2.3～2.4T，硅鋼為1.75～2.2T，鐵基非晶合金為1.25～1.75T，鐵基微晶納米晶合金為1.1～1.5T，鐵硅鋁合金為1.0～1.6T，高磁導(dǎo)鐵鎳坡莫合金為0.8～1.6T，鈷基非晶合金為0.5～1.4T，鐵鋁合金為0.7～1.3T，鐵鎳基非晶合金為0.4～0.7T，錳鋅鐵氧體為0.3～0.7T。作為高頻高頻電子變壓器的磁芯用材料，硅鋼和鐵基非晶合金占優(yōu)勢，而錳鋅鐵氧體處于劣勢。
功率傳送的第二種是電感器傳送方式，即輸入給電感器繞組的電能，使磁芯激磁，變?yōu)榇拍軆Υ嫫饋?，然后通過去磁變成電能釋放給負(fù)載。傳送功率的大小決定于電感器磁芯的儲能，也就是決定于電感器的電感量。電感量不直接與飽和磁通密度有關(guān)，而與磁導(dǎo)率有關(guān)，磁導(dǎo)率高，電感量大，儲能多，傳送功率大。各種軟磁材料的磁導(dǎo)率從大到小順序?yàn)椋篘i80 坡莫合金為（1.2～3）×106，鈷基非晶合金為（1～1.5）×106，鐵基微晶納米晶合金為（5～8）×105，鐵基非晶合金為（2～5）×105，Ni50坡莫合金為（1～3）×105，硅鋼為（2～9）×104，錳鋅鐵氧體為（1～3）×104。作為電感器的磁芯用材料，Ni80 坡莫合金、鈷基非晶合金、鐵基微晶納米晶合金占優(yōu)勢，硅鋼和錳鋅鐵氧體處于劣勢。
傳送功率大小，還與單位時(shí)間內(nèi)的傳送次數(shù)有關(guān)，即與高頻電子變壓器的工作頻率有關(guān)。
工作頻率越高，在同樣尺寸的磁芯和線圈參數(shù)下，傳送的功率越大。
電壓變換通過變壓器原繞組和副繞組匝數(shù)比來完成，不管功率傳送大小如何，原邊和副邊的電壓變換比等于原繞組和副繞組匝數(shù)比。
絕緣隔離通過變壓器原繞組和副繞組的絕緣結(jié)構(gòu)來完成。絕緣結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度，與外加和變換的電壓大小有關(guān)，電壓越高，絕緣結(jié)構(gòu)越復(fù)雜。
紋波抑制通過電感器的自感電勢來實(shí)現(xiàn)。只要通過電感器的電流發(fā)生變化，線圈在磁芯中產(chǎn)生的磁通也會發(fā)生變化，使電感器的線圈兩端出現(xiàn)自感電勢，其方向與外加電壓方向相反，從而阻止電流的變化。紋波的變化頻率比基頻高，電流紋波的電流頻率比基頻大，因此，更能被電感器產(chǎn)生的自感電勢抑制。
電感器對紋波抑制的能力，決定于自感電勢的大小，也就是電感量大小，與磁芯的磁導(dǎo)率有關(guān)，Ni80 坡莫合金、鈷基非晶合金、鐵基微晶納米晶合金磁導(dǎo)率大，處于優(yōu)勢，硅鋼和錳鋅鐵氧體磁導(dǎo)率小，處于劣勢。
高頻電子變壓器的使用要求
高頻電子變壓器的使用條件，包括兩方面內(nèi)容：可靠性和電磁兼容性。以前只注意可靠性，現(xiàn)在由于環(huán)境保護(hù)意識增強(qiáng)，必須注意電磁兼容性。
可靠性是指在具體的使用條件下，高頻電子變壓器能正常工作到使用壽命為止。一般使用條件中對高頻電子變壓器影響最大的是環(huán)境溫度。決定高頻電子變壓器受溫度影響強(qiáng)度的參數(shù)是軟磁材料的居里點(diǎn)。軟磁材料居里點(diǎn)高，受溫度影響?。卉洿挪牧暇永稂c(diǎn)低，對溫度變化比較敏感，受溫度影響大。例如錳鋅鐵氧體的居里點(diǎn)只有215℃，比較低，磁通密度、磁導(dǎo)率和損耗都隨溫度發(fā)生變化，除正常溫度25℃而外，還要給出60℃，80℃，100℃時(shí)的各種參數(shù)數(shù)據(jù)。因此，錳鋅鐵氧體磁芯的工作溫度一般限制在100℃以下，也就是環(huán)境溫度為40℃時(shí)，溫升必須低于60℃。鈷基非晶合金的居里點(diǎn)為205℃，也低，使用溫度也限制在100℃以下。鐵基非晶合金的居里點(diǎn)為370℃，可以在150℃～180℃以下使用。高磁導(dǎo)坡莫合金的居里點(diǎn)為460℃至480℃，可以在200℃～250℃以下使用。微晶納米晶合金的居里點(diǎn)為600℃，取向硅鋼居里點(diǎn)為730℃，可以在300℃～400℃下使用。
電磁兼容性是指高頻電子變壓器既不產(chǎn)生對外界的電磁干擾，又能承受外界的電磁干擾。
電磁干擾包括可聽見的音頻噪聲和聽不見的高頻噪聲。高頻電子變壓器產(chǎn)生電磁干擾的主要原因是磁芯的磁致伸縮。磁致伸縮系數(shù)大的軟磁材料，產(chǎn)生的電磁干擾大。鐵基非晶合金的磁致伸縮系數(shù)通常為最大（27～30）×10-6，必須采取減少噪聲抑制干擾的措施。高磁導(dǎo)Ni50坡莫合金的磁致伸縮系數(shù)為25×10-6，錳鋅鐵氧體的磁致伸縮系數(shù)為21×10-6。以上這3 種軟磁材料屬于容易產(chǎn)生電磁干擾的材料，在應(yīng)用中要注意。3%取向硅鋼的磁致伸縮系數(shù)為（1～3）×10-6，微晶納米晶合金的磁致伸縮系數(shù)為（0.5～2）×10-6。這2種軟磁材料屬于比較容易產(chǎn)生電磁干擾的材料。6.5%硅鋼的磁致伸縮系數(shù)為0.1×10-6，高磁導(dǎo)Ni80坡莫合金的磁致伸縮系數(shù)為（0.1～0.5）×10-6，鈷基非晶合金的磁致伸縮系數(shù)為0.1×10-6以下。這3種軟磁材料屬于不太容易產(chǎn)生電磁干擾的材料。由磁致伸縮產(chǎn)生的電磁干擾的頻率一般與高頻電子變壓器的工作頻率相同。如果有低于或高于工作頻率的電磁干擾，那是由其他原因產(chǎn)生的。
高頻電子變壓器的發(fā)展趨勢
一，整體結(jié)構(gòu)優(yōu)化為適應(yīng)電子設(shè)備愈來愈輕薄短小，高頻電子變壓器可從立體結(jié)構(gòu)向平面結(jié)構(gòu)、片式結(jié)構(gòu)、薄膜結(jié)構(gòu)發(fā)展，從而形成一代又一代的新高頻電子變壓器。比如：平面變壓器、片式變壓器、薄膜變壓器。在設(shè)計(jì)方面，要研究各種新結(jié)構(gòu)的電磁場分布，如何達(dá)到最佳優(yōu)化設(shè)計(jì)，還研究多層結(jié)構(gòu)的各種問題；在生產(chǎn)工藝方面，要研究各種新的加工方法，從而保證性能的一致性和實(shí)現(xiàn)加工工藝的機(jī)械化和自動化等；還可探討空心變壓器的結(jié)構(gòu)、設(shè)計(jì)方法、制造工藝和應(yīng)用特點(diǎn)。采用計(jì)算機(jī)對整體結(jié)構(gòu)方案進(jìn)行優(yōu)化和具體設(shè)計(jì)，這樣可以縮短設(shè)計(jì)時(shí)間，減少材料用量，縮短生產(chǎn)周期，降低成本。
二、降低磁芯材料成本磁芯在以電磁感應(yīng)原理工作的高頻電子變壓器中是最關(guān)鍵的部件。磁芯材料的主要發(fā)展方向是降低損耗，加寬使用的溫度范圍和降低成本。
軟磁鐵氧體是現(xiàn)在高頻電子變壓器使用的主要磁芯材料，發(fā)展方向是開發(fā)性能更好的新品種和降低成本的新工藝。它與傳統(tǒng)的軟磁鐵氧體和軟磁合金相比，其磁性金屬粒子或者薄膜可以分布在非導(dǎo)體和其他材料中，使高頻損耗明顯降低，提高了工作頻率。加工工藝既可采用熱壓法加工成粉芯，也可以利用現(xiàn)在的塑料工程技術(shù)，注塑成復(fù)雜形狀的磁芯，具有密度小、重量輕、生產(chǎn)效率高、成本低，產(chǎn)品重復(fù)性和一致性好等特點(diǎn)。還可以采用不同的配比，改變磁性。上面已介紹軟磁鐵氧體和坡莫合金組成的復(fù)合材料的例子，現(xiàn)在已開發(fā)出工作頻率10khz以上的軟磁復(fù)合材料粉芯，在高頻用濾波電感器中可代替軟磁鐵氧體。
根據(jù)高頻電子變壓器整體結(jié)構(gòu)的發(fā)展要求，磁芯結(jié)構(gòu)發(fā)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來的軟磁鐵氧體磁芯進(jìn)行改造，現(xiàn)在已有專門用于平面變壓器的各種低高度軟磁鐵氧體磁芯。將來還可能開發(fā)出各種低高度軟磁復(fù)合材料磁芯。片式變壓器的磁芯除了將平面磁芯進(jìn)一步壓縮而外，也有采用共燒法制造的片式磁芯。
三、線圈結(jié)構(gòu)發(fā)展線圈結(jié)構(gòu)主要的發(fā)展方向是平面線圈，片式線圈和薄膜線圈。
立體結(jié)構(gòu)的高頻變壓器線圈，導(dǎo)線材料考慮集膚效應(yīng)和鄰近效應(yīng)采用多股絞線，有時(shí)也采用扁銅線和銅帶。絕緣材料采用耐熱等級高的材料，以便提高允許溫升和縮小線圈體積，采用雙層和三層絕緣導(dǎo)線，減少線圈尺寸。曾經(jīng)國內(nèi)開發(fā)出以納米技術(shù)把云母泳涂在銅線上的c級絕緣電磁線，已經(jīng)在工頻電機(jī)和變壓器中應(yīng)用，取得良好的效果，估計(jì)在高頻電子變壓器中也會得到應(yīng)用。
平面結(jié)構(gòu)線圈采用銅箔導(dǎo)線，大多數(shù)采用單層和多層印刷電路板制造，也有采用一定圖形的銅箔，多個折疊而成的。絕緣材料一般采用b級材料。
薄膜結(jié)構(gòu)線圈，導(dǎo)線采用銅、銀和金薄膜，制成梳形、螺旋形、運(yùn)動場形等圖形，絕緣材料采用h級和c級材料?？啥鄬咏Y(jié)構(gòu)或者幾個多層線圈組合起來，或者是幾個線圈和幾個磁芯交叉重疊而成。
