高频电子变压器发展方向

[前言]：
高频电子变压器指的是“应用于频率范围从几十kHz到几兆kHz的开关功率变换器电路中的功率变压器”，随着电子设备小型化和轻量化的需求日益突出，占用电子设备很大体积和重量的电感变压器相应向高频化的方向发展。
了解高频电子变压器发展方向对电子变压器行业有极大的指导意义，那么，究竟高频电子变压器具体将往哪方面发展呢，让我们一起听听行业内专业人士的一些看法！

产品开发要紧贴市场所需
中山三礼电子有限公司技术顾问--张德进

对比低频电子变压器，高频变压器表现出许多优异的特性，高频变压器跟线性低频变压器最大的差异，在于能量转移方式的不同。传统的线性低频变压器使用交流电源作为工作电源，藉由不同绕组之间的的圈数比，来达到改变输出电压的目的。也因为这种工作方式，使输入电压的变动范围被限制住了，如果输入电压变动过大，便有可能发生烧毁的现象。相较于传统线性低频变压器，高频变压器以直流电压为工作电源，藉由PWM控制器控制电流的导通时间，来控制输出电压的大小。由于每次能够转移的能量不多，所以藉由快速的开关切换动作，来弥补每次切换时转移能量不足的问题，只要切换速度够快，就可以让输出得到较稳定的电力来源。
由于变压器的体积跟所能转移的能量成正比(就像水管越粗，所能留过的水量就越大是一样的道理)，但碍于空间的需求，我们在许多场合必须缩小变压器的体积，以符合应用端产品的需求。比如LCD银幕、笔记本计算机到现在热门的PDP平面电视，在空间上都有薄型化的要求，应用于此类产品的变压器，体积就不能太大，在这样的限制条件下，只好采取提高工作频率的方式来达到确保足够的能量获得转移的目的。然而，这并不是完全没有缺点的，由于能量在每一次的电磁-磁电转换中，都会出现损耗，故提高变压器的工作频率，相对的其能量损耗也会增加。因此，目前的高频变压器的开发方向，除了不断的缩小体积以符合产业的需求外，各家厂商也无不努力地开发损耗更低的导磁材料，以降低变压器工作时的能量损失。
由于安规有规定产品的电源必须要有电气隔离设计，以确保使用者的安全，能够达到这种条件的组件也就只有藉由电磁转换来达到能量转移的变压器。随着中国市场的成长，各项计算机、通讯、消费电子产品的需求也与日俱增，大部分产品如DVD Player、计算机、LCD银幕、手机充电器等等空间受限的产品都会需要用高频变压器作为电压转换的主要组件，随着平面显示技术的发展，我们可以预估平面显示器(LCD)将会替代CRT银幕成为未来显示器的主流。从手持设备的彩屏手机、PDA、车载的LCD显示器，中型尺寸的计算机监视器，以及大尺寸的液晶电视，到处都可以看的到液晶显示器的身影。在薄轻化的外观要求之下，这方面应用的变压器也会受到高度上的限制，使其在外观上会趋向扁平化。由于体积缩小，工作频率将往上攀升，以提供足够的能量供负载使用。另一方面，因应较高的工作频率，在导磁材料方面也会积极开发损耗更低，应用频率更广的材料，以降低高频工作所带来的能量损失。

高频化和自动化主宰市场
立信电子销售工程师--孙建康

一般我们说的工频变压器的频率是50Hz、60Hz或者400Hz的，而高频电子变压器顾名思义，就是频率较高的电子变压器，一般频率在20kHz到几百kHz。关于高频变压器，行业内没有人准确地下定义，也没有人做过学术的整合，因此，至今也没有一个准确的定义----通常我们说高频电子变压器，应该是用在具有变频电路中的磁性(包括金属磁、非金属磁、机械磁、温变磁等等)变压器件。通常我们说应用大功率半导体器件，在一个电路拓扑中运行于开关状态按照一定规律控制开关，用逆变技术对电能进行处理变换从而构成电源，就称为高频开关电源。这种功率变换有：AC-DC、DC-DC、DC-AC、AC-AC，分别形成开关整流、直流功率变换、逆变、变频等技术使用于各种设备中。这里所使用的磁性组件，就是高频开关变压器和电感器。
根据市场发展趋势，我认为，高频电子变压器将向高频化和自动化方向发展，即提高技术性，减少人力劳动性，用更少的人力完成高频电子变压器的生产，最终实现机械化；此外，市场逐步向标准化，集成化，合成化发展，就是几个器件合在一起生产，标准化后通用性很强，更利于大规模生产和库存管理。以前，企业一般只是做单一的器件，随着市场需求的发展，已经不能满足市场需要。当今市场需要薄、轻、小的产品，即用最少的材料生产出来的产品具有更多功能，这就要求把零散的器件集合成一个整体器件生产出来。整个电子元器件市场向小型化发展，即企业在要求产品的功能越来越齐全的同时，要求体积越来越小。
高频电子变压器主要应用在电源和通讯这两个市场领域，特别是在电源这个领域所占的市场份额最大，其中主要用到高频电子变压器和电感器。通讯这个市场主要用到脉冲变压器和宽带变压器，电感器。目前，高频电子变压器在电源这块市场的销售情况良好，因为在整个电源中，磁性元器件成本和技术占重要组成部分。
我估计，高频电子变压器仍然会偏重在电源这个市场上发展。目前大部分企业都抢占这个市场，但是市场变幻莫测，日新月异，无法准确地预测其发展趋势，所以企业只有密切关注、跟进市场的发展，然后根据自身的市场定位来应对市场的变化。因此，企业会不会继续抢占这个市场，还得看企业是否有这方面的眼光去发展这一块。


走小型化和高频化道路
艾默生网络能源有限公司工程师--刘波

电子设备小型化和轻量化的需求日益突出，因此，对于占用电子设备很大体积和重量的电感变压器相应向高频化的方向发展。同时，器件也由传统的插件向表面贴装的方向发展，笔记本电脑的日益普及，各种数码消费电子，作为朝阳产业的汽车电子的蓬勃发展，都为高频电感变压器的发展提供千载难逢的机会。在DC-DC转换器中，更低的电压，更高的电流的发展趋势，都对相应的电感变压器的设计提出更高的要求，尤其是输出电感（OUTPUT CHOKE），由于更大的直流输出，对材料的直流偏置特性提出了很高的要求，同时，磁心损耗和铜损也不能太高。目前，在通讯和笔记本电脑以及汽车电子中的电源中，大量使用扁平螺旋线设计电感，使得线圈的周长更短、铜损更低、结构更可靠，为了提高电感的直流偏置特性，磁心大多采用铁硅铝（sundust），高磁通磁心（high flux），钼坡莫合金（mpp）等粉心材料。
由于开关频率的提高，使用以上提到的粉心材料损耗较大，在电脑和服务器等产品中，为了提高开关管的输出电流能力，采用了多相脉宽控制方式，从两相发展到四相，输出纹波的频率相应成倍增加。因此，滤除纹波需要的电感量大大减小，到了纳亨数量级，此时，铁氧体是最好的选择，由于电感量很低，因此匝数很少，甚至可能只有一匝，不再担心铁氧体饱和，而粉心材料在兆赫附近的涡流损耗太大，无法满足效率要求。
对于用于诸如音响电源输出等音频场合，对噪声的要求很高，此时，必须使用磁滞伸缩系数较小的磁性材料，而铁硅铝的磁滞伸缩系数λs几乎为零，因此，噪声较小。同时，针对主变压器和电感的工作条件差异，对应的磁心材料的选型也相应需要差异化。对于主变压器，由于磁通变化量△B较大，因此，要求磁心在强场下具有低损耗特点。在高功率密度场合和高温场合，比如汽车发动机附近的电感以及大功率镇流器等场合，要求磁心的Tp温度已经远远超过100度，传统的PC40或PC44的Tp温度在100度左右，因此，达不到使用要求。以前只能使用金属粉心材料，而飞利浦的3C93的最低损耗温度为140度，可以取代金属粉心材料，进一步降低磁心损耗。对于输出电感，由于工作在直流偏置条件下，叠加较小的纹波电流，工作磁通变化量△B较小，因此，磁心损耗不是关键参数，而抗直流偏置特性才是关键参数，因此，使用TDK公司的PC33或者飞利浦公司的3C92以及西门子公司的N92等高Bs材料是最佳选择。
总的来说，电子行业小型化和高频化是发展趋势，对应的变压器电感为了达到这一整机要求，从结构，外形，以及材料方面，在满足体积和电气条件下，通过材料，结构的优化，降低功耗，提高效率，以满足整机的要求。


高频、低平面和新的设计技术是市场发展趋势
台达电力电子研发中心高级研发经理--陈为博士

高频电子变压器主要有两个概念，一是“电子”，它区别于电力变压器和RF信号变压器，按我所从事的开关功率变换器领域， “电子”这里应该指“功率电子”（Power Electronics），二是“高频”， 在传统上，，20kHz以上即为高频，但目前，不同领域对高频的理解可能不同。对小功率(几十到几百瓦)变换器，几百kHz才算高频，而对大功率(几百瓦到几千瓦)，大几十上百kHz才算高频，而对大功率变频传统，几十kHz就是高频了。但不管怎样，高频电子变压器应该指的是“应用于频率范围从几十kHz到几兆kHz的开关功率变换器电路中的功率变压器”，其工作频率范围有别于工频和射频，应用于开关功率变换器中，有别于电力变压器和无线电变压器，是传递一定功率能量的，有别于信号处理变压器。
简单地说，目前高频电子变压器正向高频方向发展，即高功率密度和低平面。高功率密度是市场发展的需求，而高频是提高功率密度的最有效办法。随着高频磁性材料的不断发展，也为变压器高频化创造了条件。而在高频下，要提高变压器的功率密度，关键是变压器的设计技术。因为在高频下，高频涡流损耗变得很重要，传统的设计方法已经满足不了高频的要求，使得铁心和绕组的设计变得越来越重要。而低平面变压器的要求使得PCB绕组被广泛应用，但低平面也给变压器设计带来新的困难，尤其是带气隙的变压器，如反激式变压器，谐正变压器，PFC电感器等。总之，电子变压器正向着高频、低平面和新的设计技术方面发展。
目前，高频电子变压器主要应用于高频功率变换领域。概括来讲，电子变压器向着高频化、平面化、集成化、模快化、数组化和混合化方向发展， 并随之带来新的分析方法，如电磁场分析方法和新的设计技术，如优化设计、多场型集成综合设计，以及新的制造工艺对传统工艺的挑战。因为由于频率的提高和磁性材料的发展，许多半导体工艺技术就可以应用于高频变压器的制造，或者说，变压器已经不是一个分立的器件，它可能与功率变换器通过厚膜或薄膜等工艺已经融为一体了。在小功率情况下，这一趋势已经非常明显。