基非晶在开关变压器中应用

无工频变压器开关稳压电源由于体积小，重量轻等一系列优点在现代电子设备中得到了广泛应用。功率输出变压器是开关电源中的重要元件，它的性能好坏不仅影响电源体积重量，而且直接关系到开关管损耗及电源效率。
开关变压器设计的关键之一是铁芯材料的性能。铁芯材料选择应根据电源的性能指标，工作状态，温升以及环境条件等综合考虑。常用的材料有铁淦氧和坡莫合金等。铁淦氧高频损耗小，饱和磁通密度低，温度稳定性差，另外它的形式多样可满足不同的组装要求，因此根据其本身性能特点适合于功率较小，环境温度要求不高，成本要求低的场合。体积重量，环境温度及性能指标要求高的开关变压器可采用坡莫合金。坡莫合金具有很好的高频特性，1J851的性能指标如下:
P5/20k≤30w/kg B10/6600GS
Hc≤0.025oe 居里点460℃
非晶态合金是七十年代发展起来的一种新材料。Co基非晶有远高于坡莫合金的电阻率（>150μΩ·cm）高频损耗小，居里温度高，工艺性也好，是用于高频器件理想材料。美国联合公司和日本东芝等都将非晶用于开关变压器并取得良好的结果。美国联合公司82年研制出20KHz，12V48A非晶变压器开关电源重量仅350g，电源效率81%，10KHz航空非晶与铁淦氧开关变压器的性能比较如下: （见表1）

日本东芝5V20A开关电源性能比较如下: （见表2）

我国非晶的研制工作进展也很迅速，取得了很大成绩。材料部门在研制过程中提供了不少不同性能的样环供试验研究。我们对非晶性能以及模拟变换器工作条件进行了一些测试。从测试结果可以看出: 高Bs，低Hc的样环动态损耗与正弦波激励的损耗差别较小即工作状态下实际损耗相对较小，材料电阻率低的损耗差别大，其中以饱和磁通密度影响最明显。
例如以下二种不同性能样环
B10 μM μ0.001
X3-11 6400 32万 5.2万
X2-46 7400 3.9万 1.6万
将上述二样环绕成同样匝数的实际开关变压器，在同样条件下进行对比试验，其测试结果如下: （见表3）

X2-46样环饱和磁通密度高，同样工作状态下实际铁芯损耗较小。20KHz，τ=18μs调制方波下5000GS时X3-11P5/20K=38W/kg而X2-46 P5/20K=31W/kg。因而负载试验铁心温升较低，导磁率稍低对波形质量并无显著影响，并且变换器效率稍有提高。二样环X2-46用于开关电源功率输出变换器比X3-11更合适。因此，我们对开关电源用非晶材料提出的基本要求是高Bs，低损耗，至于导磁率和矩形比较就不做更高的要求。当然初级电压低的开关变压器对励磁电流有一定的要求。
20kHz开关电源Co基非晶的主要技术指标是:
Bs≥8000GS
Hc≤0.01oe
P6/20k 40w/kg
-55℃~+130℃ △P/ρ≤15%
+130℃×200小时 △P/ρ≤15%
根据上述要求在提高饱和磁通密度和温度稳定性方面是很困难的。经过材料部门的几年努力在这几方面都有所突破，为Co基非晶在开关电源中应用创造了条件。
在一定铁心损耗下，饱和磁通密度高的铁心材料，变压器可以工作在较高的磁通密度下。
变压器设计中所取匝数与工作磁通密度成反比。这样匝数相对较少。因而可减小变压器体积重量。如铁心尺寸不变则可加大导线直径，这样导线长度减小，截面加大。其结果使变压器铜耗降低。温升下降并能提高变换器效率。
1J851工作磁通密度设计时取5000GS而Co基非晶可以工作在6000GS比1J851提高20%，采用Co基非晶将会带来明显的优越性。

同样输出功率，同样铁心尺寸的Co基非晶变压器与1J851变压器在xxx雷达半桥开关电源分机上进行对比试验其性能比1J851变压器有所提高。开关电源在同样电源电压，同样输出（27V7A）情况下，非晶变压器初级电流比1J851变压器小，二种变压器分别进行负载试验非晶变压器比1J851变压器温度低。负载试验后采用非晶变压器的开关管温升比1J851变压器开关管温升低，其试验数据如下:
试验结果可以看出Co基非晶用于20kHz开关电源功率输出变压器性能好于1J851。我们认为研制成功的Co基非晶是性能优于坡莫合金1J851的高频软磁材料。采用Co基非晶设计开关变压器将会带来明显的效果。此外，关于Co基非晶热稳定性，国内取得突破性的进展。满足了军工产品使用可靠性要求，因篇幅所限不再赘叙。