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高频变压器的发展趋势分析

作者:美顺和  来源:www.hubeimsh.com   日期:2017/10/9 10:21:02  浏览次数:

  高频变压器的发展始终是伴随电源系统的需求而发生革新的,随着电子信息技术飞速发展,各类小型轻量化的电子设备的电源系统层出不穷,其迅速扩张的用户群从侧面表明了这类电源系统的使用性能不容质疑。此类电源系统的核心部件是开关电源变压器,它是开关电源系统体积和重量的主要占有者和发热源,主要用于能量(功率)的转换与传输。开关电源变压器的高频化,是确保开关电源系统使用性能的前提下,使其平面智能化、小型轻量化的技术关键。
  1 高频变压器的商品属性
  电源在市场发展中主要追求的指标是效率高、体积小、成本低。高频电源变压器属于商品,具有一般商品的属性,所以它的设计无异于其他商品,用户都是根据其功能和使用性能选择性价比高的产品。目前,这类产品呈现出短、小、轻、薄的发展趋势,大大节省了制作成本。而高频电源变压器作为一项关键性技术,也应该体现出短小轻薄的特点。
  产品成本涵盖了产品的设计研发、材料选择以及生产等各环节所需的成本。笔者结合自身工作经验,总结了一些数据,把该产品的电流密度、铁损铜损比例、漏感与激磁电感比例、原边与副边绕组损耗比例清楚的体现出来,并提出了关于结构改进设计、窗口填充程度、绕组导线设计的新方案。 

     
  随着变压器的推广应用,其生产制造技术也获得长足发展,可以预测,未来的它将在节能低噪、提高可靠性、环保特性认证、变压器拓展容量、变压器多功能组合及多领域发展等几方面获得进一步发展。
  2 电子变压器的最新发展
  传统的电子变压器一般都是在普通铁氧体磁芯上缠绕铜线绕组,体积比较大,转换效率不高。经过一代又一代的技术改良和创新,电子设备在体积、重量上呈现出逐渐缩小的趋势。目前,以移动电话、笔记本电脑为代表的多种便携式电子设备层出不穷,电子设备以朝着智能化、小型轻量化的方向发展。电子设备体积的大小主要取决于电源体积的大小。电源系统内装有变压器、电感器磁性元件,需要根据电源系统的功率容量来设计该元件的体积。由于电源技术的改进大大提高了工作频率,磁性元件的体积逐渐缩小,变压器和电感器迎来了微型发展时代,尤其是在航空发展和计算机通信领域贡献卓著。国际市场也出现了平面变压器、集成变压器和采用微制造工艺的芯片形式的微型变压器。
  2.1 整体结构 为真正体现出短小轻薄的特点,我们不断加大科研力度,依托高新技术推进高频电子变压器结构更新换代,实现其由立体结构向平面结构、片式结构乃至薄膜结构转型,制造出平面变压器、片式变压器、薄膜变压器。高频电子变压器结构的更新换代,不但形成了新的磁芯结构及线圈结构,促使基础材料的研发和应用不断推陈出新,同时也为产品的设计和生产创新了发展思路。对于产品设计,首先要厘清新结构电磁场分布的情况,甄选最佳设计方案,然后解决各层结构中存在的问题。对于产品的生产,要敢于尝试多种加工方法,在确保产品性能的前提下使工艺操作自动化、机械化。在MHz级高频电子变压器中,空心变压器在众多领域被广泛使用。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。
  2.2 磁芯材料和结构 对于由软磁材料构成的电磁感应高频电子变压器来说,磁芯最为关键。在高频电子变压器安装磁芯是为了拓宽温度范围,减少损耗,进而节省生产成本。根据电磁性能、散热、用量及成本信息,设计出相应形状、尺寸的平面磁芯、片式磁芯及薄膜磁芯,就成了技术讨论的重要课题。目前有很多企业已瞄准了高频电子变压器市场,并且开始尝试研发新的产品,或对尝试已有产品进行技术改进。
  目前,用于制造高频电子变压器(www.hubeimsh.com)的磁芯材料主要是软磁铁氧体,大部分设计单位关心的是采用何种工艺流程更节省生产成本,或哪种产品更有市场前景。
  在工艺流程上,许多单位都在研究自蔓延高温合成法(SHS),即通过反应物内部的化学能来完成材料合成。该操作工艺工序简单,生产效率及产品纯度较高,而且耗能低、环保,能够合成Mg、MgZn、MnZn、NiZn铁氧体,可以进行规模化生产。火花等离子烧结法(SPS),可以制成多层MnZn铁氧体和坡莫合金复合软磁材料磁芯,这种复合软磁材料磁芯融合了MnZn铁氧体的高频低损耗特性和坡莫合金的高磁导率高饱和磁密特性,会大大提高高频电子变压器的性能。除此以外,诸如机械合金法、新型水热合成法、快速燃烧合成法、水热合成法、微波烧结和自燃烧合成法等工艺的研发和应用也有了新的突破,而且都能在确保产品性能的前提下节省生产成本。
  由于软磁铁氧体的饱和磁密低,相较于100kHz以上的高频范围的软磁材料来说,在20kHz~100kHz的较高频范围内的软磁材料的性价比稍逊一筹,其他几种软磁材料在20kHz~100kHz的较高频范围内,无论在性价比方面还是在质量方面,与软磁铁氧体都相差无几。每一种软磁材都有其使用范围和特性。所以,未来用于制作高频电子变压器的软磁材料的主要研究方向是,如何利用材料本身的特性形成产品的技术优势。
  由于硅钢的饱和磁密高,性价比高,因此最近出现了6.5%硅钢、梯度硅钢、含铬的硅钢、超薄带硅钢等一系列高频用硅钢。其中,含铬的硅钢已作为25kHz的电子变压器、70kHz的电子变压器的生产材料广泛采用。目前,硅钢使用的工作频率高达325kHz。
  高磁导坡莫合金的磁导率高,虽然对使用环境要求不高,但成本高。如近几年出现的用于军工设备及特殊生产行业的坡莫合金超薄带,其使用工作频率均在1MHz以上。
  另外还有造价相对较高的钴基非晶合金,它的能耗最低,综合考虑其性价比,目前它只适用于生产200kHz与1MHz的高频电子变压器。
  近几年来,软磁复合材料已在高频电子变压器生产领域得到了推广和应用。相较于以往的软磁合金、软磁铁氧体来说,这种软磁材料质量轻、密度小,其磁性金属薄膜或金属粒子能够分布在非导体等多种材料中,从而大幅度提高工效,减少能耗。而且我们不仅能通过塑料工程技术,将软磁复合材料注塑成线形复杂的磁芯,还能通过热压法将其加工成粉芯,不但节约生产成本,能大幅度提高生产效率,而且产品重复性和一致性好。另外,我们还可以通过不同的配比来改变软磁复合材料的磁性,比如上文提到的软磁铁氧体和坡莫合金组成的复合材料,目前使用的软磁复合材料粉芯的工作频率已超过10kHz,可以与高频用滤波电感器中的软磁铁氧体替换使用。

      

   就当前市场形势来看,平面磁芯、片式磁芯、薄膜磁芯的研究和应用仍是目前技术研究的主线。传统工艺大都通过改造软磁铁氧体磁芯来获得平面磁芯。经过技术创新,我们目前已有了多种专业的高低度软磁铁氧体磁芯用于平面变压器生产。把平面磁芯进一步压缩得到的便是片式变压器的磁芯,或通过共烧法来制作。就目前各种材料的发展趋势来看,应用面较广的薄膜磁芯和磁性材料可能成为MHz以上高频电子变压器的主要结构及磁芯材料,未来有望使薄膜电子变压器的高度控制在1mm以内,并且可能广泛应用在各种卡片内。我国正在进行这方面的研究。现在希望能把材料开发,电子变压器制造领域应该与应用领域合力研究和开发,尽快使现有的薄膜软磁材料变成高频电子变压器磁芯,使我国拥有薄膜变压器的自主知识产权,助力电子信息技术的更新与发展。
  2.3 线圈材料和结构 随着高频电子变压器整体结构的发展,平面线圈、片式线圈、薄膜线圈成为了线圈结构研发的主要趋势,其中也涵盖了多层结构的设计和研发。除此以外,用于线圈结构的材料的研究也有了新的突破。
  立体结构的高频变压器线圈,由于选用的导线材料要同时兼顾集肤效应和邻近效应,因此可采用多股绞线(里兹线)或铜带和扁铜线。绝缘材料采用耐热等级高的材料,以便提高允许温升和缩小线圈体积,采用双层和三层绝缘导线,可以减少线圈尺寸。举一个例子,最近,国内开发出以纳米技术把云母泳涂在铜线上的C级绝缘电磁线,已经在工频电机和变压器中应用,取得良好的效果,估计在高频电子变压器中也会得到应用。 

     
  平面结构线圈,导线采用铜箔,大多数采用单层和多层印刷电路板制造,也有采用一定图形的铜箔,多个折叠而成的。绝缘材料一般采用B级材料。
  薄膜结构线圈,导线采用铜、银和金薄膜,制成梳形、螺旋形、运动场形等图形,绝缘材料采用H级和C级材料。也有采用多层结构的,或者是几个多层线圈组合起来,或者是几个线圈和几个磁芯交叉重叠而成。总之,薄膜变压器是现在正在大力开发的高频电子变压器,许多结构并不定型,也许,还会出现许多新的线圈结构。

  未来高频变压器的发展主要集中在小型化、智能化和工艺流程的革新。

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