电源技术与电子变压器.pdf

电源技术与电子变压器电源技术与电子变压器 文章作者： 《国际电子变压器》编辑部 徐泽玮 文章类型：设计应用 文章加入时间：2004 年 5 月 9 日 1:51 文章出处：电源技术应用 摘要：讨论了电源技术与电子变压器之间的关系：电子变压器在电源技术中的作用，电源技术对电子变压 器的要求，电子变压器采用新软磁材料和新磁芯结构对电源技术发展的影响。 关键词：电源技术；电子变压器；软磁材料；磁芯结构 引言 电源装置，无论是直流电源还是交流电源，都要使用由软磁磁芯制成的电子变压器（软磁电磁元件） 。 虽然，已经有不用软磁磁芯的空芯电子变压器和压电陶瓷变压器，但是，到现在为止，绝大多数的电源装 置中的电子变压器，仍然使用软磁磁芯。因此，讨论电源技术与电子变压器之间的关系：电子变压器在电 源技术中的作用，电源技术对电子变压器的要求，电子变压器采用新软磁材料和新磁芯结构对电源技术发 展的影响，一定会引起电源行业和软磁材料行业的朋友们的兴趣。本文提出一些看法，以便促成电源行业 与电子变压器行业和软磁材料行业之间就电子变压器和软磁材料的有关问题进行对话，互相交流，共同发 展。 1 电子变压器在电源技术中的作用 电子变压器和半导体开关器件，半导体整流器件，电容器一起，称为电源装置中的 4 大主要元器件。 根据在电源装置中的作用，电子变压器可以分为： 1）起电压和功率变换作用的电源变压器，功率变压器，整流变压器，逆变变压器，开关变压器，脉冲功 率变压器； 2）起传递宽带、声频、中周功率和信号作用的宽带变压器，声频变压器，中周变压器； 3）起传递脉冲、驱动和触发信号作用的脉冲变压器，驱动变压器，触发变压器； 4）起原边和副边绝缘隔离作用的隔离变压器，起屏蔽作用的屏蔽变压器； 5）起单相变三相或三相变单相作用的相数变换变压器， 起改变输出相位作用的相位变换变压器 （移相器） ； 6）起改变输出频率作用的倍频或分频变压器； 7）起改变输出阻抗与负载阻抗相匹配作用的匹配变压器； 8）起稳定输出电压或电流作用的稳压变压器（包括恒压变压器）或稳流变压器，起调节输出电压作用的 调压变压器； 9）起交流和直流滤波作用的滤波电感器； 10）起抑制电磁干扰作用的电磁干扰滤波电感器，起抑制噪声作用的噪声滤波电感器； 11）起吸收浪涌电流作用的吸收电感器，起减缓电流变化速率的缓冲电感器； 12）起储能作用的储能电感器，起帮助半导体开关换向作用的换向电感器； 13）起开关作用的磁性开关电感器和变压器； 14）起调节电感作用的可控电感器和饱和电感器； 15）起变换电压、电流或脉冲检测信号的电压互感器、电流互感器、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。 从以上的列举可以看出，不论是直流电源，交流电源，还是特种电源，都离不开电子变压器。有人把 电源界定为经过高频开关变换的直流电源和交流电源。在介绍软磁电磁元件在电源技术中的作用时，往往 举高频开关电源中的各种电磁元件为例证。同时，在电子电源中使用的软磁电磁元件中，各种变压器占主 要地位，因此用变压器作为电子电源中软磁元件的代表，称它们为“电子变压器”。 2 电源技术对电子变压器的要求 电源技术对电子变压器的要求，像所有作为商品的产品一样，是在具体使用条件下完成具体的功能中 追求性能价格比最好。有时可能偏重价格和成本，有时可能偏重效率和性能。现在，轻、薄、短、小成为 电子变压器的发展方向，是强调降低成本。从总的要求出发，可以对电子变压器得出四项具体要求：使用 条件，完成功能，提高效率，降低成本。 2.1 使用条件 电子变压器的使用条件，包括两方面内容：可靠性和电磁兼容性。以前只注意可靠性，现在由于环境 保护意识增强，必须注意电磁兼容性。 可靠性是指在具体的使用条件下，电子变压器能正常工作到使用寿命为止。一般使用条件中对电子变 压器影响最大的是环境温度。决定电子变压器受温度影响强度的参数是软磁材料的居里点。 软磁材料居里点高，受温度影响小；软磁材料居里点低，对温度变化比较敏感，受温度影响大。例如锰 锌铁氧体的居里点只有 215℃，比较低，磁通密度、磁导率和损耗都随温度发生变化，除正常温度 25℃而 外，还要给出 60℃，80℃，100℃时的各种参数数据。因此，锰锌铁氧体磁芯的工作温度一般限制在 100℃ 以下，也就是环境温度为 40℃时，温升必须低于 60℃。钴基非晶合金的居里点为 205℃，也低，使用温度 也限制在 100℃以下。铁基非晶合金的居里点为 370℃，可以在 150℃～180℃以下使用。高磁导坡莫合金 的居里点为 460℃至 480℃，可以在 200℃～250℃以下使用。微晶纳米晶合金的居里点为 600℃，取向硅 钢居里点为 730℃，可以在 300℃～400℃下使用。 电磁兼容性是指电子变压器既不产生对外界的电磁干扰，又能承受外界的电磁干扰。电磁干扰包括可 听见的音频噪声和听不见的高频噪声。电子变压器产生电磁干扰的主要原因是磁芯的磁致伸缩。磁致伸缩 系数大的软磁材料，产生的电磁干扰大。铁基非晶合金的磁致伸缩系数通常为最大（27～30）10－6，必 须采取减少噪声抑制干扰的措施。高磁导 Ni50 坡莫合金的磁致伸缩系数为 2510－6，锰锌铁氧体的磁致 伸缩系数为 2110－6。以上这 3 种软磁材料属于容易产生电磁干扰的材料，在应用中要注意。3％取向硅 钢的磁致伸缩系数为（1～3）10－6，微晶纳米晶合金的磁致伸缩系数为（0.5～2）10－6。这 2 种软磁 材料属于比较容易产生电磁干扰的材料。 6.5％硅钢的磁致伸缩系数为 0.110－6， 高磁导 Ni80 坡莫合金的 磁致伸缩系数为（0.1～0.5）10－6，钴基非晶合金的磁致伸缩系数为 0.110－6 以下。这 3 种软磁材料属 于不太容易产生电磁干扰的材料。由磁致伸缩产生的电磁干扰的频率一般与电子变压器的工作频率相同。 如果有低于或高于工作频率的电磁干扰，那是由其他原因产生的。 2.2 完成功能 电子变压器从功能上区分主要有变压器和电感器 2 种。特殊元件完成的功能另外讨论。变压器完成的 功能有 3 个：功率传送、电压变换和绝缘隔离。电感器完成功能有 2 个：功率传送和纹波抑制。 功率传送有 2 种方式。第一种是变压器传送方式，即外加在变压器原绕组上的交变电压，在磁芯中产生磁 通变化，使副绕组感应电压，加在负载上，从而使电功率从原边传送到副边。传送功率的大小决定于感应 电压，也就是决定于单位时间内的磁通密度变量 ∆B。∆B 与磁导率无关，而与饱和磁通密度 Bs 和剩余磁 通密度 Br 有关。从饱和磁通密度来看，各种软磁材料的 Bs 从大到小的顺序为：铁钴合金为 2.3～2.4T， 硅钢为 1.75～2.2T，铁基非晶合金为 1.25～1.75T，铁基微晶纳米晶合金为 1.1～1.5T，铁硅铝合金为 1.0～ 1.6T，高磁导铁镍坡莫合金为 0.8～1.6T，钴基非晶合金为 0.5～1.4T，铁铝合金为 0.7～1.3T，铁镍基非晶 合金为 0.4～0.7T，锰锌铁氧体为 0.3～0.7T。作为电子变压器的磁芯用材料，硅钢和铁基非晶合金占优势， 而锰锌铁氧体处于劣势。 功率传送的第二种是电感器传送方式， 即输入给电感器绕组的电能， 使磁芯激磁， 变为磁能储存起来， 然后通过去磁变成电能释放给负载。传送功率的大小决定于电感器磁芯的储能，也就是决定于电感器的电 感量。电感量不直接与饱和磁通密度有关，而与磁导率有关，磁导率高，电感量大，储能多，传送功率大。 各种软磁材料的磁导率从大到小顺序为： Ni80 坡莫合金为 （1.2～3） 106， 钴基非晶合金为 （1～1.5） 106， 铁基微晶纳米晶合金为（5～8）105，铁基非晶合金为（2～5）105，Ni50 坡莫合金为（1～3）105， 硅钢为（2～9）104，锰锌铁氧体为（1～3）104。作为电感器的磁芯用材料，Ni80 坡莫合金、钴基非晶 合金、铁基微晶纳米晶合金占优势，硅钢和锰锌铁氧体处于劣势。 传送功率大小，还与单位时间内的传送次数有关，即与电子变压器的工作频率有关。工作频率越高， 在同样尺寸的磁芯和线圈参数下，传送的功率越大。 电压变换通过变压器原绕组和副绕组匝数比来完成，不管功率传送大小如何，原边和副边的电压变换比等 于原绕组和副绕组匝数比。 绝缘隔离通过变压器原绕组和副绕组的绝缘结构来完成。绝缘结构的复杂程度，与外加和变换的电压 大小有关，电压越高，绝缘结构越复杂。 纹波抑制通过电感器的自感电势来实现。只要通过电感器的电流发生变化，线圈在磁芯中产生的磁通 也会发生变化，使电感器的线圈两端出现自感电势，其方向与外加电压方向相反，从而阻止电流的变化。 纹波的变化频率比基频高，电流纹波的电流频率比基频大，因此，更能被电感器产生的自感电势抑制。 电感器对纹波抑制的能力，决定于自感电势的大小，也就是电感量大小，与磁芯的磁导率有关，Ni80 坡莫 合金、钴基非晶合金、铁基微晶纳米晶合金磁导率大，处于优势，硅钢和锰锌铁氧体磁导率小，处于劣势。 2.3 提高效率 提高效率是对电源和电子变压器的普遍要求。虽然，从单个电子变压器来看，损耗不大。例如，100VA 电源变压器，效率为 98％时，损耗只有 2W 并不多。但是成十万个、成百万个电源变压器，总损耗可能达 到上十万 W，甚至上百万 W。还有，许多电源变压器一直长期运行，年总损耗相当可观，有可能达到上千 万 kWh。显然，提高电子变压器的效率，可以节约电力。节约电力后，可以少建发电站。少建发电站后， 可以少消耗煤和石油，可以少排放 CO2，SO2，NOx，废气，污水，烟尘和灰渣，减少对环境的污染。既 具有节约能源，又具有保护环境的双重社会经济效益。因此，提高效率是对电子变压器的一个主要要求。 电子变压器的损耗包括磁芯损耗（铁损）和线圈损耗（铜损） 。铁损只要电子变压器投入工作 ，一直存在， 是电子变压器损耗的主要部分。因此，根据铁损选择磁芯材料，是电子变压器设计的主要内容，铁损也成 为评价软磁材料的一个主要参数。铁损与电子变压器磁芯的工作磁通密度和工作频率有关，在介绍软磁材 料的铁损时，必须说明是在什么工作磁通密度下和什么工作频率下的损耗。例如，P0.5/400，表示在工作 磁通密度 0.5T 和工作频率 400Hz 下的铁损。P0.1/100k 表示在工作磁通密度 0.1T 和工作频率 100kHz 下的 铁损。 软磁材料包括磁滞损耗、涡流损耗和剩余损耗。涡流损耗又与材料的电阻率 ρ 成反比。ρ 越大，涡流 损耗越小。 各种软磁材料的 ρ 从大到小的顺序为： 锰锌铁氧体为 108～109Ωcm， 铁镍基非晶合金为 150～ 180Ωcm，铁基非晶合金为 130～150Ωcm，钴基非晶合金为 120～140Ωcm，高磁导坡莫合金为 40～ 80Ωcm， 铁硅铝合金为 40～60Ωcm， 铁铝合金为 30～60Ωcm， 硅钢为 40～50Ωcm， 铁钴合金为 20～ 40Ωcm。 因此，锰锌铁氧体的 ρ 比金属软磁材料高 106～107 倍，在高频中涡流小，应用占优势。但是当工作 频率超过一定值以后，锰锌铁氧体磁性颗粒之内的绝缘体被击穿和熔化，ρ 变得相当小，损耗迅速上升到 很高水平，这个工作频率就是锰锌铁氧体的极限工作频率。 金属软磁材料厚度变薄， 也可以降低涡流损耗。 根据现有的电子变压器使用金属软磁材料带材的经验， 工作频率和带材厚度的关系为：工频 50～60Hz 用 0.50～0.23mm（500～230m） ，中频 400Hz 至 1kHz 用 0.20～0.08mm（200～80m） ，1kHz 至 20kHz 用 0.10～0.025mm（100～25m） ，中高频 20kHz 至 100kHz 用 0.05～0.015mm（50～15m） ，高频 100kHz 至 1MHz 用 0.02～0.005mm（20～5m） ，1MHz 以上，厚度 小于 5m。金属软磁材料带材只要降到一定厚度，涡流损耗可显著减少。不论是硅钢、坡莫合金，还是钴 基非晶合金和微晶纳米晶合金都可以在中、高频电子变压器中使用，和锰锌铁氧体竞争。 2.4 降低成本 降低成本是对电子变压器的一个主要要求，有时甚至是决定性的要求。电子变压器作为一种商品和其 他商品一样，都面临着市场竞争。竞争的内容包括性能和成本两个方面，缺一不可。不注意成本，往往会 在竞争中被淘汰。 电子变压器的成本包括材料成本、制造成本和管理成本。降低成本要从这三个方面来考虑。 软磁材料成本在电子变压器的材料成本中占有相当大的比例。根据现行的市场价格，每 kg 重量的软磁材 料的价格从小到大的顺序是：锰锌软磁铁氧体，硅钢，铁基非晶合金，Ni50 坡莫合金，钴基非晶合金， Ni80 坡莫合金。锰锌铁氧体在中高频范围内广泛应用，硅钢在工频范围内广泛应用，最主要的原因之一就 是价格便宜。 制造成本与设计和工艺有关。电子变压器所用的磁芯、线圈和总体结构的加工和装配工艺是复杂还是 简单？需要人工占的比例多大？是否需要工模具？质量控制中需要检测的工序和参数有多少？要用什么 检测仪器和设备？这些都是降低制造成本时要考虑的问题。 管理成本一般约占材料和制造成本之和的 30％左右。如果管理得好，充分利用人力和财力，有可能降 到 20％左右。充分利用人力，是指工时利用率要高，减少管理人员和工人比例等等。充分利用财力，是指 缩短生产周期，减少库存，加快资金流转等等。 所以，一个好的电子变压器设计者，除了要了解电子变压器的理论和设计方法而外，还要了解各种软 磁材料，电磁线，绝缘材料的性能和价格；还要了解磁芯加工和热处理工艺，线圈绕制和绝缘处理工艺和 结构组装工艺；还要了解实现质量控制的检测参数和仪器设备；还要了解生产管理的基本知识以及电子变 压器的市场动态等等。只有知识全面的设计者，才能设计出性能好，价格低的电子变压器。 3 新软磁材料在电子变压器中的应用 电子变压器中的软磁材料，根据上面的分析，在工频及中频范围内主要采用硅钢，在高频范围内主要 采用软磁铁氧体。现在硅钢遇到非晶纳米晶合金的挑战，软磁铁氧体既遇到非晶纳米晶合金的挑战，又遇 到软磁复合材料的竞争。 在挑战和竞争中， 不但使新软磁材料迅速发展， 也使硅钢和软磁铁氧体得到发展。 新发展起来的软磁材料在电子变压器中的应用，使电子变压器的性能提高，成本下降。而且也使电源技术 在向短、小、轻、薄的变革中遇到的难点——磁性元件小型化问题逐步得到解决。 下面分别介绍硅钢， 软磁铁氧体， 非晶纳米晶合金， 软磁复合材料在电子变压器中应用的一些新进展。 这里不介绍薄膜软磁材料，它是用于 1MHz 以上的，高频小型电子变压器的新一代软磁材料，留待以后专 文介绍。 3.1 硅钢 电源技术中的工频电子变压器大量使用 3％取向硅钢，现在厚度普遍从 0.35mm 减到 0.27mm 或 0.23mm。 国内生产的 23Q110 的 0.23mm 厚， 3％取向硅钢， 饱和磁通密度 Bs 为 1.8T， 其 P1.7/50 为 1.10W/kg； 27QG095 的 0.27mm 厚，3％HiB 取向硅钢，Bs 为 1.89T，P1.7/50 为 0.95W/kg。日本生产的 0.23mm 厚， 3％取向硅钢 Bs 为 1.85T，P1.7/50 为 0.85W/kg。与国内产品相差不多。但是 0.23mm 厚的 3％取向硅钢经 过特殊处理，即用电解法将表面抛光至镜面，再涂张力涂层，最后细化磁畴，可以使 P1.7/50 下降到 0.45W/kg。同时，对要求损耗低的电子变压器，日本还进一步把厚度减薄到 0.15mm，经过特殊处理，可 以使 P1.3/50 下降到 0.082～0.11W/kg 和铁基非晶合金水平基本相当。 日本还用温度梯度炉高温退火新工艺，使 0.15mm 厚，3％取向硅钢的 Bs 达到 1.95～2.0T，经过特殊 处理， 使 P1.3/50 为 0.15W/kg， P1.7/50 为 0.35W/kg。 采用三次再结晶新工艺， 制成更薄的硅钢， Bs 为 2.03T， P1.3/50 为 0.19W/kg（0.075mm 厚） ，0.17W/kg(0.071mm 厚)和 0.13W/kg0.032mm 厚） 。 电源装置中的中频（400Hz 至 10kHz）电子变压器，除了使用 0.20～0.08mm 厚，3％取向硅钢外，日 本已采用 6.5％无取向硅钢。6.5％硅钢，磁致伸缩近似为零，可制成低噪声电子变压器，磁导率为 16000～ 25000。ρ 比 3％硅钢高一倍，中频损耗低，例如：0.10mm 厚的 6.5％无取向硅钢 P1/50 为 0.6W/kg，P1/400 为 6.1W/kg，P0.5/1K 为 5.2W/kg，P0.1/10k 为 8.2W/kg，Bs 为 1.25T。采用温轧法可以生产 6.5％取向硅钢， Bs 提高到 1.62～1.67T。0.23mm 厚的 6.5％取向硅钢 P1/50 为 0.25W/kg。日本已用 6.5％硅钢制成 1kHz 音 频变压器，在 1.0T 时，噪声比 3％取向硅钢下降 21dB，铁损下降 40％，还用 6.5％硅钢取代 3％取向硅钢 用于 8kHz 电焊机中，铁芯重量从 7.5kg 减少到 3kg。6.5％硅钢国内已进行小批量生产。 与研制 6.5％硅钢的同时，日本还开发了硅含量呈梯度分布的硅钢。 1）中高频低损耗梯度硅钢，表层硅含量 6.5％，电阻率高，磁导率高，磁通集中在表面，涡流也集中表面， 损耗小。内部硅含量低于 6.5％。总的损耗低于 6.5％硅钢。例如：0.20mm 厚的 6.5％硅钢的 P0.1/10k 为 16W/kg，梯度硅钢为 13W/kg；P0.05/20k6.5％硅钢为 14W/kg，梯度硅钢为 9W/kg。由于总的硅平均含量 低于 6.5％，Bs 比 6.5％硅钢高，可达 1.90T。延伸性即加工性也比 6.5％硅钢好。已经用这种梯度硅钢制 成家用电器逆变器用电感器，由于 Bs 高，损耗低，既体积小，又发热少。 2）低剩磁梯度硅钢，表层硅含量高，磁致伸缩小，中心层硅含量低，磁致伸缩大。表层与中心层存在的 磁致伸缩差而引发应力。 出现的弹性能导致剩磁低， 一般饱和磁通密度Bs为1.96T， 剩磁Br为0.34T。 ∆B=Bm －Br 超过 1.0T（Bm 为工作磁通密度） 。损耗也低，P1.2/50 为 1.27W/kg。可以用于脉冲变压器，单方向磁 通变化电源变压器等。作为电源变压器铁芯时，还可以抑制合闸时的突发电流浪涌。 最近报导，日本开发出用于中高频电子变压器的硅钢新品种——添加铬（Cr）的硅钢。在 4.5％硅钢 中，添加 4％铬，电阻率可达 82Ωcm，而一般 3％取向硅钢电阻率为 44Ωcm，牌号为“HiFreqs”。0.1mm 厚添加铬的硅钢损耗低，P0.2/5k 为 20.5W/kg，P0.1/10k 为 10W/kg，P0.05/20k 为 5W/kg；延伸性即加工性 好，与 3％硅钢一样，可以进行冲剪，铆固加工；耐腐蚀性好，在盐水和湿气中，不涂层也不腐蚀。已用 这种添加铬的硅钢制成 25kHz 开关电源用滤波电感器，铁芯损耗为 22W/kg，比 6.5％硅钢（36W/kg）和铁 基非晶合金（29W/kg）小。还用它制成 70kHz 感应加热装置的电子变压器，比 0.1mm 厚 3％取向硅钢发 热显著减少，寿命延长 4 倍以上。 3.2 软磁铁氧体 软磁铁氧体的特点是：饱和磁通密度低，磁导率低，居里温度低，中高频损耗低，成本低。前三个低 是它的缺点，限制了它的使用范围，现在正在努力改进。后两个低是它的优点，有利于进入高频市场，现 在正在努力扩展。 以 100kHz，0.2T 和 100℃下的损耗为例，TDK 公司的 PC40 为 410mW/cm3，PC44 为 300mW/cm3， PC47 为 250mW/cm3。TOKIN 公司的 BH1 为 250mW/cm3，损耗不断在下降。国内金宁生产的 JP4E 也达 到 300mW/cm3。 不断地提高工作频率，是另一个努力方向。TDK 公司的 PC50 工作频率为 500kHz 至 1MHz。FDK 公 司的 7H20，TOKIN 的 B40 也能在 1MHz 下工作。Philips 公司的 3F4，3F45，3F5 工作频率都超过 1MHz。 国内金宁的 JP5，天通的 TP5A 工作频率都达到 500kHz 至 1.5MHz。东磁的 DMR1.2K 的工作频率甚至超 越 3MHz，达到 5.64MHz。 磁导率是软磁铁氧体的弱项。 现在国内生产的产品一般为 10000 左右。 国外 TDK 公司的 H5C5， Philips 公司的 3E9，分别达到 30000 和 20000。 采用 SHS 法合成 MnZn 铁氧体材料的研究，值得注意。用这种方法的试验结果表明，可以大大降低铁 氧体的制造能耗和成本。国内已有试验成功的报导。 3.3 非晶和纳米晶合金 铁基非晶合金在工频和中频领域，正在和硅钢竞争。铁基非晶合金和硅钢相比，有以下优缺点。 1）铁基非晶合金的饱和磁通密度 Bs 比硅钢低，但是，在同样的 Bm 下，铁基非晶合金的损耗比 0.23mm 厚的 3％硅钢小。一般人认为损耗小的原因是铁基非晶合金带材厚度薄，电阻率高。这只是一个方面，更 主要的原因是铁基非晶合金是非晶态，原子排列是随机的，不存在原子定向排列产生的磁晶各向异性，也 不存在产生局部变形和成分偏移的晶粒边界。因此，妨碍畴壁运动和磁矩转动的能量壁垒非常小，具有前 所未有的软磁性，所以磁导率高，矫顽力小，损耗低。 2）铁基非晶合金磁芯填充系数为 0.84～0.86， 与硅钢填充系数 0.90～0.95 相比，同样重量的铁基非晶合金磁芯体积比硅钢磁芯大。 3）铁基非晶合金磁芯的工作磁通密度为 1.35T～1.40T，硅钢为 1.6T～1.7T。铁基非晶合金工频变压器的重量是硅钢工频变压器的重量的 130％左 右。但是，即使重量重，对同样容量的工频变压器，磁芯采用铁基非晶合金的损耗，比采 用硅钢的要低 70％～80％。 4）假定工频变压器的负载损耗（铜损）都一样，负载率也都是 50％。那么，要使硅钢工频变压器的铁损 和铁基非晶合金工频变压器的一样，则硅钢变压器的重量是铁基非晶合金变压器的 18 倍。因此，国内 一般人所认同的抛开变压器的损耗水平，笼统地谈论铁基非晶合金工频变压器的重量、成本和价格，是硅 钢工频变压器的 130％～150％，并不符合市场要求的性能价格比原则。国外提出两种比较的方法，一种是 在同样损耗的条件下，求出两种工频变压器所用的铜铁材料重量和价格，进行比较。另一种方法是对铁基 非晶合金工频变压器的损耗降低瓦数，折合成货币进行补偿。每瓦空载损耗折合成 5～11 美元，相当于人 民币 42～92 元。每瓦负载损耗折合成 0.7～1.0 美元，相当于人民币 6～8.3 元。例如一个 50Hz，5kVA 单 相变压器用硅钢磁芯，报价为 1700 元/台；空载损耗 28W，按 60 元人民币/W 计，为 1680 元；负载损耗 110W，按 8 元人民币/W 计，为 880 元；则，总的评估价为 4260 元/台。用铁基非晶合金磁芯，报价为 2500 元/台；空载损耗 6W，折合成人民币 360 元；负载损耗 110W，折合成人民币 880 元，总的评估价为 3740 元/台。如果不考虑损耗，单计算报价，5kVA 铁基非晶合金工频变压器为硅钢工频变压器的 147％。如果 考虑损耗，总的评估价为 89％。 5）现在测试工频电源变压器磁芯材料损耗，是在畸变小于 2％的正弦波电压下进行的。而实际的工频电网 畸变为 5％。 在这种情况下， 铁基非晶合金损耗增加到 106％， 硅钢损耗增加到 123％。 如果在高次谐波大， 畸变为 75％的条件下（例如工频整流变压器） ，铁基非晶合金损耗增加到 160％，硅钢损耗增加到 300％以 上。说明铁基非晶合金抗电源波形畸变能力比硅钢强。 6）铁基非晶合金的磁致伸缩系数大，是硅钢的 3～5 倍。因此，铁基非晶合金工频变压器的噪声为硅钢工 频变压器噪声的 120％，要大 3～5dB。 7）现行市场上，铁基非晶合金带材价格是 0.23mm3％取向硅钢的 150％，是 0.15mm3％取向硅钢（经过特 殊处理）的 40％左右。 8）铁基非晶合金退火温度比硅钢低，消耗能量小，而且铁基非晶合金磁芯一般由专门生产厂制造。硅钢 磁芯一般由变压器生产厂制造。 根据以上比较， 只要达到一定生产规模， 铁基非晶合金在工频范围内的电子变压器中将取代部分硅钢市场。 在 400Hz 至 10kHz 中频范围内，即使有新的硅钢品种出现，铁基非晶合金仍将会取代大部分 0.15mm 以下 厚度的硅钢市场。 值得注意的是，日本正在大力开发 FeMB 系非晶合金和纳米晶合金，其 Bs 可达 1.7～1.8T，而且损耗 为现有 FeSiB 系非晶合金的 50％以下，如果用于工频电子变压器，工作磁通密度达到 1.5T 以上，而损耗 只有硅钢工频变压器的 10％～15％，将是硅钢工频变压器的更有力的竞争者。日本预计在 2005 年就可以 将 FeMB 系非晶合金工频变压器试制成功，并投入生产。 非晶纳米晶合金在中高频领域中，正在和软磁铁氧体竞争。在 10kHz 至 50kHz 电子变压器中，铁基纳 米晶合金的工作磁通密度可达 0.5T，损耗 P0.5/20k≤25W/kg，因而，在大功率电子变压器中有明显的优势。 在 50kHz 至 100kHz 电子变压器中， 铁基纳米晶合金损耗 P0.2/100k 为 30～75W/kg， 铁基非晶合金 P0.2/100k 为 30W/kg，可以取代部分铁氧体市场。 非晶纳米晶合金经过 20 多年的推广应用，已经证明其具有下述优点： 1）不存在时效稳定性问题，纳米晶合金在 200℃以下，钴基非晶合金在 100℃以下，经过长期使用，性能 无显著变化； 2）温度稳定性比软磁铁氧体好，在－55℃至 150℃范围内，磁性能变化 5％～10％，而且可逆； 3）耐冲击振动，随电源整机在 30g 下的振动试验中，均未发生过性能恶化问题； 4）铁基非晶合金脆性大大改善，带材平整度良好，可以剪切加工，也可以制成搭接式卷绕磁芯，经过 5 次弯折或拆卸，性能无显著变化。 3.4 软磁复合材料 经过争论，现在对磁粉芯等已经取得了一致认识，即认为它属于软磁复合材料。软磁复合材料是将磁 性微粒均匀分散在非磁性物中形成的。与传统的金属软磁合金和铁氧体材料相比，它有很多独特的优点： 磁性金属粒子分散在非导体物件中，可以减少高频涡流损耗，提高应用频率；既可以采取热压法加工成粉 芯，也可以利用现在的塑料工程技术，注塑制造成复杂形状的磁体；具有密度小，重量轻，生产效率高， 成本低，产品重复性和一致性好等优点。缺点是由于磁性粒子之间被非磁性体分开，磁路隔断，磁导率现 在一般在 100 以内。不过，采用纳米技术和其他措施，国外已有磁导率超过 1000 的报导，最大可达 6000。 软磁复合材料的磁导率受到很多因素的影响，如磁性粒子的成分，粒子的形状，尺寸，填充密度等。因此， 根据工作频率可以进行调整。 磁粉芯是软磁复合材料的典型例子。现在已在 20kHz 至 100kHz 甚至 1MHz 的电感器中取代了部分软 磁铁氧体。例如铁硅铝磁粉芯，硅含量为 8.8％，铝为 5.76％，剩余全为铁。粒度为 90～45m，45～32m 和 32～30m。用硅树脂作粘接剂，1％左右硬脂酸作润滑剂，在 2t/cm2 压力下，制成1385 的环形 磁芯，在氢气中用 673K，773K，873K 退火，使磁导率达到 100，300，600。在 100kHz 下损耗低，已 经代替软磁铁氧体和 MPP 磁粉芯用于电感器中。 已经有人对大功率电源的电感器用软磁复合材料——磁粉芯进行了开发研究。在 20kHz 以下，磁导率 基本不变。在 1.0T 下，磁导率为 100 左右。50Hz～20kHz 损耗小，可制成 100kg 重量以上的大型的磁芯， 而且在 20kHz 下音频范围，噪声比环形铁氧体磁芯降低 10dB。可以在大功率电源中代替硅钢和软磁铁氧 体。 有人用钴/二氧化硅（Co/SiO2）纳米复合软磁材料制作不同于薄膜的大尺寸磁芯。钴粒子平均尺寸为 30m，填充度 40％至 90％，经过搅拌后，退火形成 Co/SiO2 纳米复合粉，然后压制成环形磁芯。磁导率 在 300MHz 以下，都可达到 16。镍锌铁氧体的磁导率为 12，而且在 100MHz 以后迅速下降。证明在高频 和超高频下，软磁复合材料也可取代部分铁氧体市场。 4 新磁芯结构在电子变压器中的应用 4.1 搭接式卷绕磁芯 搭接式卷绕磁芯最早用于非晶合金配电变压器。它既有卷绕磁芯优点，激磁电流小，空载损耗低，又 可以打开装卸线圈，消除一般卷绕磁芯的缺点，不需要用专用绕线机绕制线圈，生产效率提高，线圈出现 问题时也便于更换和维修。现有 3％取向硅钢的厚度已减薄到 0.23mm 和 0.27mm，用它们制造搭接式卷绕 磁芯比非晶合金更容易。因此，搭接式卷绕磁芯有可能用于 500VA 以上的硅钢电源变压器，尤其是大容量 整流电源和不停电电源中的硅钢电源变压器。 4.2 立体三角形磁芯 立体布置的三角形三相磁芯， 现在正在国内风行。 最早出现立体三角形磁芯可追溯到 20 世纪 30 年代， 但是，由于磁芯需要特殊剪切加工，线圈需要专用绕线机绕制，而未能推广应用。现在可以用计算机控制 磁芯剪切加工，已经有专用绕线机绕线。国内有 5—6 家企业在申请立体三角形磁芯变压器的专利。立体 布置的三角形三相磁芯与平面布置的三柱式三相磁芯相比，磁通分布均匀，不会出现局部饱和，激磁电流 和磁通的对称性好。问题是各个柱的截面要形成接近圆形相当困难，绕组平均匝长增加，负载损耗也会增 加。可用于 30kVA 以上的大型变压器。 4.3 正交形磁芯 把 C 型磁芯的一半旋转 90，再接合在一起，就形成正交形磁芯。可以用直流控制绕组控制正交形磁 芯的电感。日本索尼公司已经用软磁铁氧体制成这种磁芯，叫 SX 形磁芯，并且已经用于各种电视机的开 关电源，作为驱动变压器，控制它的电感，使电路出现电压谐振或者电流谐振，而实现软开关条件。日本 东北大学和东北电力公司已经用硅钢制成这种磁芯，用于功率补偿器和移相器，控制电力系统的有功和无 功功率。与晶闸管功率补偿器和移相器相比，具有高次谐波少，电磁干扰小，控制电路简单等特点。 4.4 磁性液体磁芯 有人曾设想过，用注塑机加工变压器磁芯，可以避免硅钢磁芯冲片，热处理，叠片，组装等多道工序。 现在正在开发磁性液体磁芯可以实现这种设想，用工程塑料做成磁芯外壳，中间注入磁性液体，表面再用 磁性片封住。这样，大量生产的中小型电源变压器的加工效率可以显著提高，使成本降低，与叠片式硅钢 磁芯相比具有明显的优势。 5 结语 电子变压器在电源技术中起着重要作用。电源技术要求电子变压器能适应外界使用条件，减少电磁干 扰；完成功率传送，电压变换，绝缘隔离和纹波抑制等功能；提高效率，降低成本。新软磁材料和新磁芯 结构在电子变压器中的应用，不但推动了电子变压器的发展，而且也推动了电源技术的发展。各种新的动 态值得注意。 本文在编写过程中大量引用《国际电子变压器》过去发表过的文章和报导，实际上是对有关文章和报 导进行了综述和总结。在这里对这些文章和报导的作者表示感谢！同时，希望广大读者关注《国际电子变 压器》 ，我们今后将分别对电子变压器的设计，制造，材料和应用进行综述总结，供广大读者参考。