国内电子变压器发展之路：多个环节齐头并进
2009-10-28 12:04:36
来源：中国电子元件协会
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。
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。
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。
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。
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。软磁复合材料(SMC)是上世纪90年代开发出来的新型软磁材料，其出发点是想把金属软磁材料的工作频率向MHz级和GHz级扩展，因此将金属软磁材料与其他高电阻材料，如石英、陶瓷、高分子材料等复合在一起，只要控制金属软磁材料的体积百分数在逾渗极限以下，就有可能保持软磁特性，又减少各种高频率损耗，成为一种新的软磁材料――软磁复合材料，取英文名称的第一个字母，简称SMC材料。
软磁复合材料中的磁性粒子可以是纯铁、镍、钴金属、铁镍合金、铁镍钼合金、铁铝合金、铁基非晶合金、铁基纳米晶合金和软磁铁氧体经过粉碎后制成的粉末。
非磁性物体可以是二氧化硅等绝缘体，硅树脂、聚乙烯、环氧树脂等高分子材料作粘接剂和硬脂酸等作润滑剂。磁性粒子和非磁性物体混合后，可以经过绝缘处理、压制成形、烧结等工艺加工成磁粉芯，也可以采用现在的塑料工程技术，注塑成各种复杂形状的磁芯。软磁复合材料的优点是密度小，重量轻，生产效率高，成本低，产品一致性好。缺点是由于磁粒子之间被非磁性物体隔开，磁性阻断，磁导率现在一般都在100以内，最近报导通过纳米技术和其他措施，已开发出磁导率超过1000的软磁复合材料，最大可达6000。
高分子软磁复合材料近年来发展迅速，在国外已用这种材料制造高频电源变压器和电感器，并建立相应的分析理论和设计程序。据作者所知，国内虽然进行了高分子软磁材料的研究开发，但是还未见到用于电源中电子变压器的报道。
现在，国内正在开发用于电源中电子变压器的各种铝导线。一些企业已经开发出铜包铝导线，铜线在外层，占面积15%，总比重为3.63g/cm3，考虑趋表效应和邻近效应，这种铜包铝导线的电阻率比纯铝线会小不少，而成本增加不多，是一种充分发挥铜和铝效果的复合材料。
近年来另一值得注意的发展趋势，是选用温度指数高、耐热等级高的180聚酯亚胺QZY漆包线和220聚酰亚胺QYZ漆包线，导线允许的电流密度增大，导线直径减少，用铜量减少，铁心窗口面积减少，用铁量也同时减少，可以降低整体成本。特别是对要求体积小的高频小功率电源变压器，采用耐热性更好的漆包线，更能显出技术经济效益。
电源技术和电力电子技术中包含的交流电压变换技术，是一种“纯粹的”电子变压器，也能把低压变成高压进行升压变换，或者把高压变成低压进行降压变换，其主要方法是采用电力电子技术提高电能变换频率，从而缩小电路中的变压器和电感器的体积，并不是取消其中的变压器和电感器。以前，对这种把电力电子电路和电子变压器结合起来的方法，没有引起足够的重视。
近年来，随着电力系统要求减少输入和输出谐波，提高网侧功率因数，实现“绿色变换”的呼声日益高涨，国内外开展了“电力电子变压器”的研究，才兴起了研究开发热潮。研究如何用电力电子技术对电力进行变换和控制，用电力电子变压器代替传统的电磁式配电变压器。现在已有单相变换和三相变换等多种电路形式，这种电力电子变压器不但可以用于高压大电流电力领域，也可以用于高压或低压小电流领域，例如一些高压电源发生器和小功率调压电源等。
我国从事电子变压器研究、开发生产的单位已超过2000家，其中有国营、民营和外资企业。世界上最大的电子变压器生产厂家美国普思公司和世界上最大的软磁铁氧体生产厂家日本TDK公司都在我国设有生产基地。世界上许多先进的电子变压器技术、生产工艺和产品都在我国汇集在一起。面对这样一个多种化的平台，技术交流是大有可为的。
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。
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。
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。
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。软磁复合材料(SMC)是上世纪90年代开发出来的新型软磁材料，其出发点是想把金属软磁材料的工作频率向MHz级和GHz级扩展，因此将金属软磁材料与其他高电阻材料，如石英、陶瓷、高分子材料等复合在一起，只要控制金属软磁材料的体积百分数在逾渗极限以下，就有可能保持软磁特性，又减少各种高频率损耗，成为一种新的软磁材料――软磁复合材料，取英文名称的第一个字母，简称SMC材料。
软磁复合材料中的磁性粒子可以是纯铁、镍、钴金属、铁镍合金、铁镍钼合金、铁铝合金、铁基非晶合金、铁基纳米晶合金和软磁铁氧体经过粉碎后制成的粉末。
非磁性物体可以是二氧化硅等绝缘体，硅树脂、聚乙烯、环氧树脂等高分子材料作粘接剂和硬脂酸等作润滑剂。磁性粒子和非磁性物体混合后，可以经过绝缘处理、压制成形、烧结等工艺加工成磁粉芯，也可以采用现在的塑料工程技术，注塑成各种复杂形状的磁芯。软磁复合材料的优点是密度小，重量轻，生产效率高，成本低，产品一致性好。缺点是由于磁粒子之间被非磁性物体隔开，磁性阻断，磁导率现在一般都在100以内，最近报导通过纳米技术和其他措施，已开发出磁导率超过1000的软磁复合材料，最大可达6000。
高分子软磁复合材料近年来发展迅速，在国外已用这种材料制造高频电源变压器和电感器，并建立相应的分析理论和设计程序。据作者所知，国内虽然进行了高分子软磁材料的研究开发，但是还未见到用于电源中电子变压器的报道。
现在，国内正在开发用于电源中电子变压器的各种铝导线。一些企业已经开发出铜包铝导线，铜线在外层，占面积15%，总比重为3.63g/cm3，考虑趋表效应和邻近效应，这种铜包铝导线的电阻率比纯铝线会小不少，而成本增加不多，是一种充分发挥铜和铝效果的复合材料。
近年来另一值得注意的发展趋势，是选用温度指数高、耐热等级高的180聚酯亚胺QZY漆包线和220聚酰亚胺QYZ漆包线，导线允许的电流密度增大，导线直径减少，用铜量减少，铁心窗口面积减少，用铁量也同时减少，可以降低整体成本。特别是对要求体积小的高频小功率电源变压器，采用耐热性更好的漆包线，更能显出技术经济效益。
电源技术和电力电子技术中包含的交流电压变换技术，是一种“纯粹的”电子变压器，也能把低压变成高压进行升压变换，或者把高压变成低压进行降压变换，其主要方法是采用电力电子技术提高电能变换频率，从而缩小电路中的变压器和电感器的体积，并不是取消其中的变压器和电感器。以前，对这种把电力电子电路和电子变压器结合起来的方法，没有引起足够的重视。
近年来，随着电力系统要求减少输入和输出谐波，提高网侧功率因数，实现“绿色变换”的呼声日益高涨，国内外开展了“电力电子变压器”的研究，才兴起了研究开发热潮。研究如何用电力电子技术对电力进行变换和控制，用电力电子变压器代替传统的电磁式配电变压器。现在已有单相变换和三相变换等多种电路形式，这种电力电子变压器不但可以用于高压大电流电力领域，也可以用于高压或低压小电流领域，例如一些高压电源发生器和小功率调压电源等。
我国从事电子变压器研究、开发生产的单位已超过2000家，其中有国营、民营和外资企业。世界上最大的电子变压器生产厂家美国普思公司和世界上最大的软磁铁氧体生产厂家日本TDK公司都在我国设有生产基地。世界上许多先进的电子变压器技术、生产工艺和产品都在我国汇集在一起。面对这样一个多种化的平台，技术交流是大有可为的。
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