电子变压器的回顾和展望

    摘 要:本文介绍电子变压器的发展过程，并对电子变压器的应用范围和技术动向进行评述。
    关键词:电子变压器  应用范围  技术动向

1  前言
    随着电子技术的发展，作为基础元器件之一的电子变压器，也从20世纪70年代起，发展成为一个兴旺发达的产业。电子变压器行业虽然有一定的技术含量，但基本上是劳动力密集型产业。在我国现阶段中，劳动力比较便宜。因此，近几年来，电子变压器行业在我国迅速的发展壮大，成为上千家的、规模巨大的一种电子元器件行业。为了使电子变压器生产厂家与原材料、配件厂家进行沟通，与用户进行沟通，与国内外同行进行沟通，《国际电子变压器》杂志希望成为电子变压器行业中一个有效的信息交换渠道。要做好信息交换，必须首先对电子变压器有一个清楚的的认识。作者撰写本文，只是起一点抛砖引玉的作用，请同行朋友们共同来完成这件工作。
2  电子变压器的内容和应用范围
    电子变压器的内容和应用范围，随着电子技术的发展而发展。电子变压器最初的内容和应用范围，是指电子电路中的变压器。电子技术应用范围从通讯、家用电器发展到工业应用、计算机和网络技术、生物工程等等领域。电子技术本身从无线电通讯电子技术，发展到工业电子技术、电力电子技术和微电子技术。电力电子技术和电机技术等互相交叉，发展成应用广泛的电源技术，使电子变压器的内容和应用范围大大的向外扩展。电子变压器的内容和应用范围，根据现有资料，已经涵盖除电力变压器和电抗器以外的各种变压器和电感器。同时还延伸到相关的原材料（磁性材料与器件、电磁线、绝缘材料与结构材料）和配件、生产设备和检测仪表和装置。主要包括：
   （1）电源变压器：又称为功率变压器。有时根据使用的电子线路，又分别称为整流变压器、逆变变压器、开关电源变压器。
   （2）宽带变压器、射频变压器、视频变压器、音频变压器、中周变压器：主要用于通讯、网络、家用音响设备中。
   （3）稳压变压器（包括恒压变压器）、稳流变压器、参数变压器、可调变压器：主要用于交流电源设备中。
   （4）相数变换器（单相变三相、三相变单相）、相位变换器（移相器）、频率变换器（铁磁式倍频器和分频器）：阻抗匹配变压器、主要用于特殊电源设备中。
   （5）脉冲变压器、触发变压器、驱动变压器：主要用于脉冲电源设备和电源控制电路中。
   （6）隔离变压器、屏蔽变压器:主要用于隔离绝缘和抗电磁干扰设备中。
   （7）平面变压器、印刷线路板变压器、片式变压器、薄膜变压器 ：是根据外形尺寸大小来区别的，主要用于中高频开关电源中。
   （8）磁芯变压器、空芯变压器、压电陶瓷变压器：是根据工作原理来区别的。
   （9）滤波电感器、EMI滤波电感器、噪声抑制电感器、储能电感器、换向电感器、缓冲电感器、饱和电感器、可调电感器、镇流电感器：是根据所起的作用来区别的。
   （10）平面电感器、印刷线路板电感器、片式电感器、薄膜电感器：是根据外形尺寸大小来区别的。
   （11）磁芯电感器、空芯电感器：是根据工作原理来区别的。
   （12）电流互感器、电压互感器、脉冲互感器、直流互感器、零磁通互感器、弱电互感器、零序电流互感器、霍尔电流电压检测器：主要用于检测电路和设备中。
    电子变压器的原材料和配件、生产设备和检测仪表与装置包括：
   （1）磁性材料与器件：硅钢、软磁铁氧体、坡莫合金（高导磁铁镍合金）、非晶合金、钠米晶合金、复合磁性材料、磁性薄膜、磁带、磁丝、磁液体、磁粉芯、平面磁芯、正交磁芯、集成磁芯、多功能磁芯、复合磁芯等。
   （2）导电材料：裸铜线、裸铜带、编织线、电磁线（漆包线、纸包线、丝包线、多股漆包绞线）等。
   （3）绝缘材料：绝缘纸、绝缘布、绝缘绸、绝缘薄膜、绝缘板、绝缘漆、绝缘涂料、绝缘套管、绝缘组件等。
   （4）结构材料和配件：支持材料、封装材料、接线端子、紧固标准件等。
   （5）生产设备：铁心加工、铁心热处理、线圈绕制、线圈浸漆处理、器身干燥处理、结构件加工、装配等用的设备。
   （6）检测仪表和设备：电阻、相位、变压比、电感、空载损耗、负载损耗等检测仪表和装置、耐压（工频、感应、脉冲）试验、温升试验、噪声检测、抗EMI试验、局部放电试验、环境条件试验等用的专门设备和装置。

3  电子变压器的发展过程
   自从电子真空管诞生后，就出现电子电路，就开始有电子技术，也就随即诞生了电子变压器。电子变压器的发展，离不开电子技术的发展，尤其是电力电子技术和电源技术的发展。主要分为以下四个时期：
3.1 初始创业时期
    20世纪50年代前，电子技术仍处于初始创业时期。主要电子器件是电子真空管，半导体整流器和晶体三极管很少使用。电子技术主要用于无线电技术和雷达技术。电源技术主要采用电机技术作为参数调节手段，只有个别的电源采用电子技术，例如采用电子真空管和饱和电感器的磁放大器式交流稳压电源。在初始创业时期，小型电子变压器，例如中周变压器、音频变压器、射频变压器等，主要作为无线电元器件来配套生产。大中型电子变压器，例如电源变压器、调压变压器、铁磁稳压器、饱和电感器（磁放大器）等，主要作为电机电器产品来生产。电子变压器没有形成单独的行业。电子变压器技术主要集中研究无线电用元器件、雷达用元器件、交流电源用元器件，特别是小型电源变压器、饱和电感器（磁放大器）取得相当规模的发展，出现了规范化的系列产品。
3.2 基本形成时期
    20世纪60年代至70年代，晶体三极管和晶闸管（可控硅）在电子设备中的使用逐步增多，并形成了高潮。电子技术和其他技术交叉渗透和结合，形成了电力电子技术、电源技术和微电子技术。电子变压器中除了原有的品种而外，电源变压器中的整流变压器、逆变变压器，脉冲变压器中的触发变压器、驱动变压器，电感器中的滤波电感器、储能电感器、换向电感器、缓冲电感器，及各种检测用的电流互感器得到大力发展。电子变压器的品种基本齐全。出现了一批单独的电子变压器生产单位，电子变压器行业基本形成。电子变压器技术主要集中研究各种大中型电源变压器、脉冲变压器、电感器和互感器的设计和工艺。
3.3 高频化时期
    20世纪70年代末到90年代初，电力电子技术和电源技术大量使用高频半导体元器件MOSFET、IGBT，大力推行“20kHz革命”，把工作频率提高到20kHz以上，用高频化改造电力电子设备和电源设备成为发展的主流。电子变压器出现一大批用于高频的新品种，如电源变压器中的高频开关电源变压器、电感器中的EMI滤波电感器、噪声抑制电感器、谐振电感器等。电子变压器行业形成相当规模，出现一大批生产家用电器用电子变压器、高频变压器和电感器的生产单位。电子变压器技术主要集中研究各种变压器和电感器在高频条件下工作中使用的原材料和工艺加工方法。
3.4 小型化时期
    20世纪90年代中期开始，各种便携式电子通讯和信息处理设备，如个人计算机和移动电话（手机）使用越来越广泛，各种家用电器生产数量迅速增加，要求采用表面安装技术来装配。电子变压器和电感器，与其他电子元器件一样，逐渐走向小型化，出现各种各样的平面变压器和平面电感器，印刷线路板变压器和电感器，表面安装式变压器和电感器，薄膜变压器和电感器。由于有的电子变压器工作频率达到几十MHz，除了原有的磁芯变压器和电感器而外，空芯变压器和电感器也显示出一定的优点，在小功率的信号变换和控制电路中得到应用。采用压电陶瓷进行变换的压电陶瓷变压器，在高压小电流的地方，有其独特之处，已开发出相应的产品。电子变压器及其相应的原材料行业，已成为电子产品中一个重要的行业。电子变压器技术发展成为一门独立的应用技术。

4  电子变压器的发展动向
    纵观电子变压器的发展过程，可以看出：电子变压器的发展，既扎根于技术的发展，又受应用需求的推动。一方面追求电子变压器性能的提高，另一方面追求成本的降低。也就是和其他产品一样，追求适应市场需要的性能价格比。我们以此为出发点，从性能、材料、工艺等几个方面对电子变压器的发展动向进行评述。
4.1 性能
    电子变压器的性能指标可以归纳为三高三低：高功能，高可靠，高效率，低噪声，低高度（小尺寸），低成本。这些性能指标并不是一成不变的，对不同应用领域的不同的电子变压器，而有不同的要求。
4.1.1  高功能
    高功能是指对电子变压器要求的功能指标，在规定的使用条件下，完成得尽可能高一些。为此，要深入研究它在规定的使用条件下的工作情况，从而选取相应的原材料和加工工艺，以便使设计和生产出来的电子变压器达到尽可能高的功能指标。例如，原来标准规定的电源变压器的设计方法，不再适用于在高频下工作的开关电源变压器。这是因为在高频下工作的开关电源变压器的磁场分布和电流分布，与在低频和中频下工作不同，还应当考虑电感电容等分布参数。从20世纪90年代起，提出了各种不同形式的模型，以便对高频开关电源变压器的性能参数进行更准确的分析，对原有的设计方法进行改进。
4.1.2 高可靠
    高可靠是指电子变压器在规定的工作条件下，正常工作到规定的使用寿命期。其中包含着两重含义。首先要能在规定的工作条件下正常工作，完成规定的功能。也就是对电子变压器要进行有关的工作环境条件试验，例如：高低温循环试验、防潮试验、防腐蚀试验、冲击和振动试验等。其次要能正常工作到规定的使用寿命期。也就是对电子变压器进行寿命试验。不论对那一种电子变压器，尤其是对特殊领域中使用的电子变压器，可靠性都是重要的性能指标。为此，从20世纪80年代起，研究开发出许多试验方法和提高可靠性的方法。
4.1.3 高效率
    高效率是指电子变压器，尤其是大中型电源变压器在规定的工作条件下空载损耗和负载损耗小，也就是铜铁损耗小，发热少。提高效率的主要方法是采用新型的磁性材料和导电材料，降低铁损和铜损。其次，加工工艺（例如铁芯热处理工艺等）也有重要的作用。
4.1.4  低噪声
    低噪声是指电子变压器在规定工作条件下产生的电磁干扰（EMI）要小，在音频范围内，还包括可闻噪声要小。电磁干扰有可能妨碍安装电子变压器的电子装置和设备正常工作，还会污染环境。近年来，对保护环境，防止电磁干扰特别重视，研究开发出许许多多抑制电磁干扰的方法和措施，例如各种吸收材料和屏蔽措施。同时，有几种电子变压器，如隔离变压器、屏蔽变压器、缓冲电感器、噪声吸收电感器、EMI滤波电感器，用于消除电子设备和装置的电磁干扰，对它们本身产生的电磁干扰尤其要注意。近年来对这些电子变压器的原理和结构，进行了大力开发研究。从2003年起，我国的家用电器和其他一些电子装置和设备都要达到规定的电磁兼容标准要求，对电子变压器的噪声指标要求将会越来越严格。同时，也为用于抗电磁干扰的电子变压器带来巨大的市场机遇。
4.1.5  低高度
    低高度是从国外直译过来的一个词组，其意思是指电子变压器的高度和整体尺寸要低要小，也就是现在对电子元器件普遍要求的“轻薄短小”。为了达到便携式电子装置和设备对电子变压器重量轻、尺寸小的要求，为了达到便于大规模生产中采用表面安装技术对电子变压器的要求，从20世纪90年代中期起，电子变压器的高度逐渐变低。高度从厘米级的立体式，变成毫米级的平面式、印刷线路板式、片式，再变成小于毫米级的薄膜式。高度向低的方向变化，既带动了使用的原材料的发展，也带动了加工工艺的发展，从而更加满足规模生产的要求。
4.1.6  低成本
    低成本是指电子变压器在规定的工作条件下满足适应市场需要的功能指标后尽可能追求最低的生产成本。电子变压器作为产品，也是商品，回避不了市场对商品成本低的追求，回避不了市场对产品适当的性能价格比的追求。这里，强调的是在保证“适当”的功能指标下追求低成本。在市场竞争中，成本低有时候甚至成为决定性的指标。新技术新工艺能否得到推广应用，都要通过成本这一关的考验。例如，小型电源变压器现在绝大多数采用EI形冲片磁芯，而不采用R形磁芯。其原因是EI形冲片磁芯能快速和规模生产。尤其是带骨架的线圈一次可同时绕多个（4～12个）线圈，不象R型变压器那样，要用专门的绕线机，一次只能绕一个，从而大大节约了加工工时，降低了成本。
4.2 材料
    近年来，电子变压器的主要材料：磁性材料、导电材料、绝缘材料发展很快。不单是出现许多新材料，传统材料也取得了明显的进步。面对这些材料，电子变压器的制造者们仍然是追求适合市场需要的性能价格比，而不是单纯追求高新材料。当然，如果采用高新材料能提高产品的性能价格比，一定要优先采用，争取在市场上先走一步，占领先的优势。即使短时间不能出现良好的经济效益，也要使用那些从长远来看、从规模生产后来看将带来重要影响的高新材料。这一点，希望从事电子变压器研究开发生产的人们，要给以足够的注意。
4.2.1  磁性材料与器件
    电子变压器所用的磁性材料和磁芯结构，《国际电子变压器》已刊登过专文介绍，这里只对其发展概况作简要的评述。
    软磁材料方面，不但是新兴材料：非晶合金、纳米晶合金、磁性薄膜迅速发展，而且传统材料：硅钢、软磁铁氧体、坡莫合金近年来都有明显的进步。各种材料都有自己的应用领域，从现在的情况来看，在中低频条件下，硅钢占领的市场份额最大。在中高频条件下，软磁铁氧体占领的市场份额最大。坡莫合金使用在工作条件要求严格，磁导率要求高的地方。非晶合金、纳米晶合金、磁性薄膜具有良好的发展前景，将逐步占领中高频、高频和低频条件下一定的市场份额。特别是高频条件下的市场，很有可能是纳米磁性材料（磁性薄膜、磁丝、磁性颗粒）将来称霸的天下。
    磁芯结构方面，发展最快的是复合材料磁芯。例如各种磁粉芯：铁粉芯、坡莫合金粉芯、非晶和纳米晶合金粉芯，已经在中高频条件下挤占了软磁铁氧体的一部份市场份额。多功能磁芯（集成磁芯），将是平面变压器的主要结构。薄膜磁芯，将是薄膜变压器的主要结构。尽管面对着片式空芯变压器、片式压电陶瓷变压器的挑战，许多专家仍然认为：由于薄膜变压器性能好、体积小、厚度（高度）低于毫米级，可以采用大规模生产工艺生产，可保证质量和一致性、效率高、成本低，在高频条件下将占领大部份市场份额。
4.2.2  导电材料
    电子变压器用的导电材料近年来也有所发展，例如：
   （1）除了薄铜带、编织带、高强度漆包线与丝包线、高强度多股漆包绞线而外，还采用多层印刷线路板铜箔加工而成，便于规模生产，保证线圈参数的一致性。
   （2）提高导线中铜的含量，可以减少电阻率，降低铜损。现在国内生产的无氧铜电磁线的电阻率ρ可达到≥0.02097。
   （3）采用双层和三层绝缘漆膜电磁线，可以不垫层间绝缘、可减少材料消耗、绕组尺寸和绕线工时。
   （4）采用自粘性电磁线，通过加热后，能使线圈自身粘接成一个整体，有利于绝缘和散热，并增加线圈强度。
4.2.3  绝缘材料
    电子变压器用的绝缘材料发展很快。例如：
   （1）在干式电子变压器中，提高绝缘材料耐热等级，可以提高电子变压器的性能价格比。有人测算过，把绝缘耐热等级从A级或者E级，提高到F级和H级，可以使线圈和电子变压器缩小体积。虽然绝缘材料价格上升，但总成本降低20%左右。因此薄膜变压器中大量采用H级绝缘漆膜。
   （2）大量采用绝缘构件。由专门的工厂加工的绝缘构件，比自己小批量加工的质量好，成本低。
   （3）采用常温干燥的浸渍绝缘漆，可以简化绝缘处理工艺，减少工时。
4.2.4  结构材料
    电子变压器的结构材料也正在发生变化，出现了许多新的动向，例如：
   （1）和家用电器相类似，以前的钢铁结构支持件，大部份都要更换成塑料压制或注塑件，不但可以保证必要的强度，还可以美化外观。
   （2）引出线和接线端子，也在向多种形式变化。除以前的螺钉压接式，焊接式而外，还增加了插接式和贴装式。
   （3）封装材料除了树脂以外，也采用浸渍绝缘漆和涂料进行封装。采用磁粉芯的功率电感器，大量采用浸渍漆封装。
4.3  工艺
    电子变压器的加工工艺，常常是技术的关键所在。虽然是同一种产品，由于各生产单位加工工艺不同，性能和成本有比较大的差别。产品的性能参数和结构，可以根据样品进行仿制。但是加工工艺，不容易重复，而有一定的保密性。因此，各个生产单位都特别注意不断改进加工工艺，从而不断提高产品的性能降低成本。加工工艺发展的原则是：
   （1）提高产品的性能合格率；
   （2）保证产品的一致性；
   （3）缩短加工工时，提高生产效率；
   （4）尽量采用工模具，减少人工参与因素等。
    从以上的原则出发，就可以说明：为什么小型电源变压器采用EI形磁芯，而不采用R形磁芯？因为EI形磁芯冲片，可以用快速冲床加工，线圈绕线可以同时绕制多个。虽然损耗和体积不如R型小，但是比R型平均生产工时小，成本低，总的性能价格比超过R型。总之，考虑采用新的电子变压器加工工艺时，一定要注意落脚点是提高产品的性能价格比，否则这种新的加工工艺就是不可采用的。

5  结语
   电子变压器从个别门类的配套生产，发展成多品种，独立的一个厂家众多声势浩大的行业，只不过几十年的时间，现在仍处在快速发展之中。回顾电子变压器的发展过程，和任何实用技术一样，一定要在产品的应用和参与竞争中，才能发展，才能提高。任何违背市场规则的行为，例如不适当的追求完美，追求过高的性能指标，迟早会使产品遭到市场无情的惩罚，甚至被淘汰。希望同行们牢牢记住这一点：只有追求适应市场需要的性能价格比，才是电子变压器发展的出发点。