电子变压器、电子整流器用磁性器件的几个关键问题
2007-04-02 10:50:33
来源：《国际电子变压器》2007年4月刊
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1前言
我国照明电器制造和照明灯具制造已形成规模化生产的产业化群体，近年来，灯用电器附件及其配套元器件取得了明显的进步。与此同时高强度气体放电灯配套的电子镇流器也在迅速发展。可见电子镇流器的生产技术和质量已达到一定水平，灯用电器附件应用技术也有了很大的进步，特别是令人难以琢磨的磁性元件，随着磁性产品规模化生产和基础原料规范化生产，生产工艺技术不断提高，一致性明显提高，总体质量水平提高很多。
为了进一步提高电子镇流器和节能灯的生产技术和质量，推进我国照明事业的发展，本文在回顾和分析了我国节能灯电子镇流器、电子变压器使用情况，从节能灯、电子镇流器、电子变压器生产厂家所遇到的实际问题出发，分析探讨基本电路参数和磁性器件功能。为选择好灯用磁性元件，设计好灯用磁性器件，提高电子镇流器和节能灯的质量，提供建设性意见。
2负载的基本原理和要求
气体放电灯包括一体型节能灯、荧光灯、金属卤素灯等。照明光源方面的节能主要是镇流器本身损耗降低和灯管亮度增加。技术手段就是气体放电灯镇流器由纯电感式等改为电子式；荧光灯管壁荧光粉由一般荧光粉改为稀土荧光粉，提高发光频率降低可见闪烁从而提高光效。也就是说在同样功率情况下光亮度增加，或在同样光亮度情况下功率可以降低而到达明显的节能效果。
荧光灯工作原理是：灯管脚电流激励电极产生电子，电子激励灯管中水银原子(或其他原子)。激发水银原子产生紫外光子，光子轰击灯管壁的荧光物质(稀土荧光粉等)，荧光物质发出可见光。
由上述原理可知电子镇流器必须起到如下作用：①提供受控电源加热快启辉系统中管电极。②提供起动电压，电离灯管中气体，并在电极间产生电弧。③限制电流并控制供给灯管的电源以进行正常工作。④在频率大于20KHz情况下长期稳定工作。
电子镇流器由电网滤波器、高频振荡器、扼流器以及其他电子元件组成。涉及磁心的器件中高频振荡器和扼流器为电子镇流器的主要功能器件，电网滤波器为辅助功能器件(没有Fcc要求时不用)。
电子镇流器中的起高频振荡作用的变压器、起扼流谐振作用的扼流线圈，这两种磁性器件为主要功能器件，还有起滤波作用的电网输入滤波器为辅助功能器件。它们各自对材料和磁心有什么要求呢?
(1)高频振荡器中用的变压器。
高频振荡器是由功率开关管、振荡线圈、电容器、二极管等电子元件构成的电路。可以说是电子镇流器的心脏。在一定的工作条件下让电路发生谐振，从而在联接灯管的电容上产生高压将灯启动点燃，谐振频率一般在25KHz～32KHz甚至更高，该变压器采用环形磁心。线圈谐振是在功率开关管的周而复始的导通截止状态中形成的，会产生一定的温升，由于体积小，周围散热差，而开关管电容器等元器件的温度系数均较小，变化通常在士5％以内。才能确保线路处于稳定的正常振荡工作状态，磁心线圈电感值从起始到正常工作温度范围(60℃～100℃)内变化也要小。 若电感值变化量大会使电路振荡异常，甚至停振。亦即要求磁心材料从室温到正常工作温度范围内磁导率温度特性曲线要平缓。
在工作时磁心若饱和，基极电路电流会激增，功率管将随之发烫而烧坏。这就要求磁心材料在电子镇流器正常工作温度(60℃～100℃)环境下仍有较高的Bs值，磁心不致于饱和，也即要求材料有高的居里温度，Bs值随温度增高而减小的变化缓慢。
尽管电子镇流器的振荡电路大都采用自激式电路，和开关电源电路相比，总的功能耗值并不太大。但由于电子镇流器散热差(特别是一体灯)，若磁心损耗过高，也会使磁心有大的温升而引起磁心饱和。所以要求磁心材料有较低的功耗，若能随着温度上升功耗下降而且磁心损耗最低时的温度与正常工作温度区域一致，即所谓的负功耗特性，那未就更有效地防止温度剧升的恶性循环。这才保证电子镇流器的心脏工作稳定。
(2)扼流线圈
电子镇流器中的扼流线圈，既是串联谐振电路元件，同时又是灯的限流元件。作为串联谐振元件对其磁心材料性能要求与高频振荡电路中用的变压器磁心相同，十分注重其电感温度特性。作为限流元件，要求材料及磁心在有大的电感值而不易饱和，以产生高的感抗起到良好的限流作用。大的电感值情况不饱和材料的Bs值就要高，从开启到正常工作线圈电感值温度特性曲线要平缓，线圈匝数很多，谐振波电流高峰值产生的磁感强度，不能超过材料Bs值，否则磁心饱和。这时不仅要考虑材料Bs值和其他性能，还要考虑磁心的尺寸、体积、形状和避免饱和的方法。
(3)电网输入滤波器
它是联接电网交流电源，抑制噪声的一种射频干扰滤波器，其用途是在基板上抑制射频信号通过，减少或消除对无线电仪器的干扰以及对电网的污染，是降低传导电磁干扰的有效部分。在要求抗电磁干扰的电子镇流器显得尤为重要。这种滤波器对磁心及材料的性能要求如何呢？
(a)在它上面绕制的二组线圈是共模式线圈采用同相绕组，产生的磁通互相抵消，不十分要求材料的Bs值高低，但十分要求磁心形状一定要求是闭合磁路的。
(b)在宽的频带上有较高的电感量，以产生的感抗，分布电容要小。
(c)一体型节能灯腔体工作温度相当高，有时可达100℃左右，所以要求磁心材料的居里温度不低120℃。
各种不同工作频率的电子镇流器适应不同环境，同理，电网输入滤波器对磁心及材料的要求都不一样。
电子变压器与电子镇流器的差别就在于负载不在一个回路里，对材料的要求基本相同。
3国内发展情况
20世纪80年代开始，一部分高校研究所对电子变压器、电子镇流器和节能灯进行开发研究，部分电源生产厂也加入进来。20世纪90年代初，有部分形成粗糙的产品并形成批量生产，95年至2000年在全国范围内高速形成产业，但是，只有很少几家注意产品质量。2001年至2005年发展速度更快，产品质量好一点的厂家均已形成规摸。
整个发展过程中，电路不断完善。电感、变压器磁性器件始终沿用硅钢片变压器的工艺，只有很少部分厂家知道这里的磁性器件是陶瓷（铁氧体），与硅钢片变压器工艺不同。还有一些材料应用选择的问题存在。
4几个关键问题
4.1高频振荡器中变压器用的磁环
材料选择是一个问题。根据环境温度选择材料，环境温度有两个，一是启动时的地理环境温度，二是正常工作后磁环周围的环境温度。负载功率是另一个选择材料的根据。
一致性是一个问题，用什麽参数去确定一致性是一个关键。一定温度一定匝数时的电感值是个关键参数，动态特性值（一定频率、一定温度、一定电流时保证翻转）是个关键参数。
一定电流时保证翻转的安匝数也是个关键参数，保证翻转的安匝数必须大于μm所需的安匝数。
材料牌号、负载功率、环境温度、磁环尺寸、三极管放大倍数、保证翻转的安匝数都是制约磁环一致性选择的两个关键参数的范围。
4.2扼流圈电感用磁心
材料选择已不是一个问题，应用功率类铁氧体材料已是共识，开气隙防止饱和也已认同。但是，气隙尺寸不正确应用是个问题。磁心固定沿用硅钢片变压器的工艺是一个更大的问题。
磁心气隙可以防止磁心饱和，增加磁心可用功率，减小磁心电感值的变化范围，一定型号的磁心气隙与电感系数有一定关系，气隙尺寸不是电路所需参数，是个参考值，还是以电感值为主的，这是一。第二，气隙尺寸过大，浪费铜材。气隙尺寸选择小于等于3%有效磁路长度为好。
磁心固定是保证电感值长期不变，保证振荡频率长期不变，保证灯亮度长期不变，保证节能灯电子镇流器寿命的关键。目前大部分厂家还是用塑料胶带、浸漆、卡夹，都不合适不科学，不能长期保证磁心线圈电感值不变或变化很小。塑料胶带受热膨胀后不会回复，绝缘漆受热膨胀干后与磁心分离，卡夹的弹性力不一致。应该采用与铁氧体材料热膨胀系数相近的凝固胶为好。
4.3滤波磁心
在灯用电器上一直不重视，自2003年起国家强制执行3C认证开始，各企业才真实地作这方面的工作。材料的选择是个大问题，我在1997年发表了这方面的数据和方法。见表1：
由表1可知，磁导率高的材料抑制频率低。
4.4电子变压器中的负载变压器磁心
电子变压器中电路经过50Hz交流/直流/高频高压交流高频低压交流作用于负载上。作用于负载上的功率直接与该变压器的电感量成正比。所以该变压器所用磁心线圈的电感温度曲线要平直，E形开气隙磁心容易达到，环形磁心就特别难，所用材料要在所有工作温度范围内磁导率温度曲线保持平直。
5照明灯用磁性元器件结果变化趋势
灯用器件与信息产品一样，都趋向于高频化、小型化、扁平化、紧凑化、自然化。这样对磁性元件的要求是：
ａ)功率铁氧体高频化低损耗、小型化、扁平化。
ｂ)高磁导率铁氧体、高截止频率，小型化、扁平化。
由此可见几种趋势：
1)磁性元件形状，几何尺寸变化
2)绝缘骨架形状变形
3)喷涂绝缘逐步得到推广扩大。
6结束语
我们作为磁性材料和器件的研究开发人员，要努力开发出各类应用的专用材料和器件，满足照明电器的需求。本文仅是作了部分归纳总结和建设性探讨，感谢各位照明灯用电器开发的工程技术人员。
我国照明电器制造和照明灯具制造已形成规模化生产的产业化群体，近年来，灯用电器附件及其配套元器件取得了明显的进步。与此同时高强度气体放电灯配套的电子镇流器也在迅速发展。可见电子镇流器的生产技术和质量已达到一定水平，灯用电器附件应用技术也有了很大的进步，特别是令人难以琢磨的磁性元件，随着磁性产品规模化生产和基础原料规范化生产，生产工艺技术不断提高，一致性明显提高，总体质量水平提高很多。
为了进一步提高电子镇流器和节能灯的生产技术和质量，推进我国照明事业的发展，本文在回顾和分析了我国节能灯电子镇流器、电子变压器使用情况，从节能灯、电子镇流器、电子变压器生产厂家所遇到的实际问题出发，分析探讨基本电路参数和磁性器件功能。为选择好灯用磁性元件，设计好灯用磁性器件，提高电子镇流器和节能灯的质量，提供建设性意见。
2负载的基本原理和要求
气体放电灯包括一体型节能灯、荧光灯、金属卤素灯等。照明光源方面的节能主要是镇流器本身损耗降低和灯管亮度增加。技术手段就是气体放电灯镇流器由纯电感式等改为电子式；荧光灯管壁荧光粉由一般荧光粉改为稀土荧光粉，提高发光频率降低可见闪烁从而提高光效。也就是说在同样功率情况下光亮度增加，或在同样光亮度情况下功率可以降低而到达明显的节能效果。
荧光灯工作原理是：灯管脚电流激励电极产生电子，电子激励灯管中水银原子(或其他原子)。激发水银原子产生紫外光子，光子轰击灯管壁的荧光物质(稀土荧光粉等)，荧光物质发出可见光。
由上述原理可知电子镇流器必须起到如下作用：①提供受控电源加热快启辉系统中管电极。②提供起动电压，电离灯管中气体，并在电极间产生电弧。③限制电流并控制供给灯管的电源以进行正常工作。④在频率大于20KHz情况下长期稳定工作。
电子镇流器由电网滤波器、高频振荡器、扼流器以及其他电子元件组成。涉及磁心的器件中高频振荡器和扼流器为电子镇流器的主要功能器件，电网滤波器为辅助功能器件(没有Fcc要求时不用)。
电子镇流器中的起高频振荡作用的变压器、起扼流谐振作用的扼流线圈，这两种磁性器件为主要功能器件，还有起滤波作用的电网输入滤波器为辅助功能器件。它们各自对材料和磁心有什么要求呢?
(1)高频振荡器中用的变压器。
高频振荡器是由功率开关管、振荡线圈、电容器、二极管等电子元件构成的电路。可以说是电子镇流器的心脏。在一定的工作条件下让电路发生谐振，从而在联接灯管的电容上产生高压将灯启动点燃，谐振频率一般在25KHz～32KHz甚至更高，该变压器采用环形磁心。线圈谐振是在功率开关管的周而复始的导通截止状态中形成的，会产生一定的温升，由于体积小，周围散热差，而开关管电容器等元器件的温度系数均较小，变化通常在士5％以内。才能确保线路处于稳定的正常振荡工作状态，磁心线圈电感值从起始到正常工作温度范围(60℃～100℃)内变化也要小。 若电感值变化量大会使电路振荡异常，甚至停振。亦即要求磁心材料从室温到正常工作温度范围内磁导率温度特性曲线要平缓。
在工作时磁心若饱和，基极电路电流会激增，功率管将随之发烫而烧坏。这就要求磁心材料在电子镇流器正常工作温度(60℃～100℃)环境下仍有较高的Bs值，磁心不致于饱和，也即要求材料有高的居里温度，Bs值随温度增高而减小的变化缓慢。
尽管电子镇流器的振荡电路大都采用自激式电路，和开关电源电路相比，总的功能耗值并不太大。但由于电子镇流器散热差(特别是一体灯)，若磁心损耗过高，也会使磁心有大的温升而引起磁心饱和。所以要求磁心材料有较低的功耗，若能随着温度上升功耗下降而且磁心损耗最低时的温度与正常工作温度区域一致，即所谓的负功耗特性，那未就更有效地防止温度剧升的恶性循环。这才保证电子镇流器的心脏工作稳定。
(2)扼流线圈
电子镇流器中的扼流线圈，既是串联谐振电路元件，同时又是灯的限流元件。作为串联谐振元件对其磁心材料性能要求与高频振荡电路中用的变压器磁心相同，十分注重其电感温度特性。作为限流元件，要求材料及磁心在有大的电感值而不易饱和，以产生高的感抗起到良好的限流作用。大的电感值情况不饱和材料的Bs值就要高，从开启到正常工作线圈电感值温度特性曲线要平缓，线圈匝数很多，谐振波电流高峰值产生的磁感强度，不能超过材料Bs值，否则磁心饱和。这时不仅要考虑材料Bs值和其他性能，还要考虑磁心的尺寸、体积、形状和避免饱和的方法。
(3)电网输入滤波器
它是联接电网交流电源，抑制噪声的一种射频干扰滤波器，其用途是在基板上抑制射频信号通过，减少或消除对无线电仪器的干扰以及对电网的污染，是降低传导电磁干扰的有效部分。在要求抗电磁干扰的电子镇流器显得尤为重要。这种滤波器对磁心及材料的性能要求如何呢？
(a)在它上面绕制的二组线圈是共模式线圈采用同相绕组，产生的磁通互相抵消，不十分要求材料的Bs值高低，但十分要求磁心形状一定要求是闭合磁路的。
(b)在宽的频带上有较高的电感量，以产生的感抗，分布电容要小。
(c)一体型节能灯腔体工作温度相当高，有时可达100℃左右，所以要求磁心材料的居里温度不低120℃。
各种不同工作频率的电子镇流器适应不同环境，同理，电网输入滤波器对磁心及材料的要求都不一样。
电子变压器与电子镇流器的差别就在于负载不在一个回路里，对材料的要求基本相同。
3国内发展情况
20世纪80年代开始，一部分高校研究所对电子变压器、电子镇流器和节能灯进行开发研究，部分电源生产厂也加入进来。20世纪90年代初，有部分形成粗糙的产品并形成批量生产，95年至2000年在全国范围内高速形成产业，但是，只有很少几家注意产品质量。2001年至2005年发展速度更快，产品质量好一点的厂家均已形成规摸。
整个发展过程中，电路不断完善。电感、变压器磁性器件始终沿用硅钢片变压器的工艺，只有很少部分厂家知道这里的磁性器件是陶瓷（铁氧体），与硅钢片变压器工艺不同。还有一些材料应用选择的问题存在。
4几个关键问题
4.1高频振荡器中变压器用的磁环
材料选择是一个问题。根据环境温度选择材料，环境温度有两个，一是启动时的地理环境温度，二是正常工作后磁环周围的环境温度。负载功率是另一个选择材料的根据。
一致性是一个问题，用什麽参数去确定一致性是一个关键。一定温度一定匝数时的电感值是个关键参数，动态特性值（一定频率、一定温度、一定电流时保证翻转）是个关键参数。
一定电流时保证翻转的安匝数也是个关键参数，保证翻转的安匝数必须大于μm所需的安匝数。
材料牌号、负载功率、环境温度、磁环尺寸、三极管放大倍数、保证翻转的安匝数都是制约磁环一致性选择的两个关键参数的范围。
4.2扼流圈电感用磁心
材料选择已不是一个问题，应用功率类铁氧体材料已是共识，开气隙防止饱和也已认同。但是，气隙尺寸不正确应用是个问题。磁心固定沿用硅钢片变压器的工艺是一个更大的问题。
磁心气隙可以防止磁心饱和，增加磁心可用功率，减小磁心电感值的变化范围，一定型号的磁心气隙与电感系数有一定关系，气隙尺寸不是电路所需参数，是个参考值，还是以电感值为主的，这是一。第二，气隙尺寸过大，浪费铜材。气隙尺寸选择小于等于3%有效磁路长度为好。
磁心固定是保证电感值长期不变，保证振荡频率长期不变，保证灯亮度长期不变，保证节能灯电子镇流器寿命的关键。目前大部分厂家还是用塑料胶带、浸漆、卡夹，都不合适不科学，不能长期保证磁心线圈电感值不变或变化很小。塑料胶带受热膨胀后不会回复，绝缘漆受热膨胀干后与磁心分离，卡夹的弹性力不一致。应该采用与铁氧体材料热膨胀系数相近的凝固胶为好。
4.3滤波磁心
在灯用电器上一直不重视，自2003年起国家强制执行3C认证开始，各企业才真实地作这方面的工作。材料的选择是个大问题，我在1997年发表了这方面的数据和方法。见表1：
由表1可知，磁导率高的材料抑制频率低。
4.4电子变压器中的负载变压器磁心
电子变压器中电路经过50Hz交流/直流/高频高压交流高频低压交流作用于负载上。作用于负载上的功率直接与该变压器的电感量成正比。所以该变压器所用磁心线圈的电感温度曲线要平直，E形开气隙磁心容易达到，环形磁心就特别难，所用材料要在所有工作温度范围内磁导率温度曲线保持平直。
5照明灯用磁性元器件结果变化趋势
灯用器件与信息产品一样，都趋向于高频化、小型化、扁平化、紧凑化、自然化。这样对磁性元件的要求是：
ａ)功率铁氧体高频化低损耗、小型化、扁平化。
ｂ)高磁导率铁氧体、高截止频率，小型化、扁平化。
由此可见几种趋势：
1)磁性元件形状，几何尺寸变化
2)绝缘骨架形状变形
3)喷涂绝缘逐步得到推广扩大。
6结束语
我们作为磁性材料和器件的研究开发人员，要努力开发出各类应用的专用材料和器件，满足照明电器的需求。本文仅是作了部分归纳总结和建设性探讨，感谢各位照明灯用电器开发的工程技术人员。
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