中國電子元件行業(yè)協(xié)會
China Electronic Components Association
聯(lián)系人：李鋒
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高頻電子變壓器就是作頻率高的電子變壓器，具有適用范圍廣，工作頻率高，工作電壓范圍寬，輸出功率大等。廣泛應用于各種LED驅(qū)動電源，電源適配器，等各種電子產(chǎn)品。
高頻電子變壓器的功能
高頻電子變壓器從功能上區(qū)分主要有變壓器和電感器2種。特殊元件完成的功能另外討論。
變壓器完成的功能有3個：功率傳送、電壓變換和絕緣隔離。電感器完成功能有2個：功率傳送和紋波抑制。
功率傳送有2 種方式。第一種是變壓器傳送方式，即外加在變壓器原繞組上的交變電壓，在磁芯中產(chǎn)生磁通變化，使副繞組感應電壓，加在負載上，從而使電功率從原邊傳送到副邊。傳送功率的大小決定于感應電壓，也就是決定于單位時間內(nèi)的磁通密度變量ΔB。
ΔB與磁導率無關，而與飽和磁通密度Bs和剩余磁通密度Br有關。從飽和磁通密度來看，各種軟磁材料的Bs從大到小的順序為：鐵鈷合金為2.3～2.4T，硅鋼為1.75～2.2T，鐵基非晶合金為1.25～1.75T，鐵基微晶納米晶合金為1.1～1.5T，鐵硅鋁合金為1.0～1.6T，高磁導鐵鎳坡莫合金為0.8～1.6T，鈷基非晶合金為0.5～1.4T，鐵鋁合金為0.7～1.3T，鐵鎳基非晶合金為0.4～0.7T，錳鋅鐵氧體為0.3～0.7T。作為高頻高頻電子變壓器的磁芯用材料，硅鋼和鐵基非晶合金占優(yōu)勢，而錳鋅鐵氧體處于劣勢。
功率傳送的第二種是電感器傳送方式，即輸入給電感器繞組的電能，使磁芯激磁，變?yōu)榇拍軆Υ嫫饋?，然后通過去磁變成電能釋放給負載。傳送功率的大小決定于電感器磁芯的儲能，也就是決定于電感器的電感量。電感量不直接與飽和磁通密度有關，而與磁導率有關，磁導率高，電感量大，儲能多，傳送功率大。各種軟磁材料的磁導率從大到小順序為：Ni80 坡莫合金為（1.2～3）×106，鈷基非晶合金為（1～1.5）×106，鐵基微晶納米晶合金為（5～8）×105，鐵基非晶合金為（2～5）×105，Ni50坡莫合金為（1～3）×105，硅鋼為（2～9）×104，錳鋅鐵氧體為（1～3）×104。作為電感器的磁芯用材料，Ni80 坡莫合金、鈷基非晶合金、鐵基微晶納米晶合金占優(yōu)勢，硅鋼和錳鋅鐵氧體處于劣勢。
傳送功率大小，還與單位時間內(nèi)的傳送次數(shù)有關，即與高頻電子變壓器的工作頻率有關。
工作頻率越高，在同樣尺寸的磁芯和線圈參數(shù)下，傳送的功率越大。
電壓變換通過變壓器原繞組和副繞組匝數(shù)比來完成，不管功率傳送大小如何，原邊和副邊的電壓變換比等于原繞組和副繞組匝數(shù)比。
絕緣隔離通過變壓器原繞組和副繞組的絕緣結構來完成。絕緣結構的復雜程度，與外加和變換的電壓大小有關，電壓越高，絕緣結構越復雜。
紋波抑制通過電感器的自感電勢來實現(xiàn)。只要通過電感器的電流發(fā)生變化，線圈在磁芯中產(chǎn)生的磁通也會發(fā)生變化，使電感器的線圈兩端出現(xiàn)自感電勢，其方向與外加電壓方向相反，從而阻止電流的變化。紋波的變化頻率比基頻高，電流紋波的電流頻率比基頻大，因此，更能被電感器產(chǎn)生的自感電勢抑制。
電感器對紋波抑制的能力，決定于自感電勢的大小，也就是電感量大小，與磁芯的磁導率有關，Ni80 坡莫合金、鈷基非晶合金、鐵基微晶納米晶合金磁導率大，處于優(yōu)勢，硅鋼和錳鋅鐵氧體磁導率小，處于劣勢。
高頻電子變壓器的使用要求
高頻電子變壓器的使用條件，包括兩方面內(nèi)容：可靠性和電磁兼容性。以前只注意可靠性，現(xiàn)在由于環(huán)境保護意識增強，必須注意電磁兼容性。
可靠性是指在具體的使用條件下，高頻電子變壓器能正常工作到使用壽命為止。一般使用條件中對高頻電子變壓器影響最大的是環(huán)境溫度。決定高頻電子變壓器受溫度影響強度的參數(shù)是軟磁材料的居里點。軟磁材料居里點高，受溫度影響小；軟磁材料居里點低，對溫度變化比較敏感，受溫度影響大。例如錳鋅鐵氧體的居里點只有215℃，比較低，磁通密度、磁導率和損耗都隨溫度發(fā)生變化，除正常溫度25℃而外，還要給出60℃，80℃，100℃時的各種參數(shù)數(shù)據(jù)。因此，錳鋅鐵氧體磁芯的工作溫度一般限制在100℃以下，也就是環(huán)境溫度為40℃時，溫升必須低于60℃。鈷基非晶合金的居里點為205℃，也低，使用溫度也限制在100℃以下。鐵基非晶合金的居里點為370℃，可以在150℃～180℃以下使用。高磁導坡莫合金的居里點為460℃至480℃，可以在200℃～250℃以下使用。微晶納米晶合金的居里點為600℃，取向硅鋼居里點為730℃，可以在300℃～400℃下使用。
電磁兼容性是指高頻電子變壓器既不產(chǎn)生對外界的電磁干擾，又能承受外界的電磁干擾。
電磁干擾包括可聽見的音頻噪聲和聽不見的高頻噪聲。高頻電子變壓器產(chǎn)生電磁干擾的主要原因是磁芯的磁致伸縮。磁致伸縮系數(shù)大的軟磁材料，產(chǎn)生的電磁干擾大。鐵基非晶合金的磁致伸縮系數(shù)通常為最大（27～30）×10-6，必須采取減少噪聲抑制干擾的措施。高磁導Ni50坡莫合金的磁致伸縮系數(shù)為25×10-6，錳鋅鐵氧體的磁致伸縮系數(shù)為21×10-6。以上這3 種軟磁材料屬于容易產(chǎn)生電磁干擾的材料，在應用中要注意。3%取向硅鋼的磁致伸縮系數(shù)為（1～3）×10-6，微晶納米晶合金的磁致伸縮系數(shù)為（0.5～2）×10-6。這2種軟磁材料屬于比較容易產(chǎn)生電磁干擾的材料。6.5%硅鋼的磁致伸縮系數(shù)為0.1×10-6，高磁導Ni80坡莫合金的磁致伸縮系數(shù)為（0.1～0.5）×10-6，鈷基非晶合金的磁致伸縮系數(shù)為0.1×10-6以下。這3種軟磁材料屬于不太容易產(chǎn)生電磁干擾的材料。由磁致伸縮產(chǎn)生的電磁干擾的頻率一般與高頻電子變壓器的工作頻率相同。如果有低于或高于工作頻率的電磁干擾，那是由其他原因產(chǎn)生的。
高頻電子變壓器的發(fā)展趨勢
一，整體結構優(yōu)化為適應電子設備愈來愈輕薄短小，高頻電子變壓器可從立體結構向平面結構、片式結構、薄膜結構發(fā)展，從而形成一代又一代的新高頻電子變壓器。比如：平面變壓器、片式變壓器、薄膜變壓器。在設計方面，要研究各種新結構的電磁場分布，如何達到最佳優(yōu)化設計，還研究多層結構的各種問題；在生產(chǎn)工藝方面，要研究各種新的加工方法，從而保證性能的一致性和實現(xiàn)加工工藝的機械化和自動化等；還可探討空心變壓器的結構、設計方法、制造工藝和應用特點。采用計算機對整體結構方案進行優(yōu)化和具體設計，這樣可以縮短設計時間，減少材料用量，縮短生產(chǎn)周期，降低成本。
二、降低磁芯材料成本磁芯在以電磁感應原理工作的高頻電子變壓器中是最關鍵的部件。磁芯材料的主要發(fā)展方向是降低損耗，加寬使用的溫度范圍和降低成本。
軟磁鐵氧體是現(xiàn)在高頻電子變壓器使用的主要磁芯材料，發(fā)展方向是開發(fā)性能更好的新品種和降低成本的新工藝。它與傳統(tǒng)的軟磁鐵氧體和軟磁合金相比，其磁性金屬粒子或者薄膜可以分布在非導體和其他材料中，使高頻損耗明顯降低，提高了工作頻率。加工工藝既可采用熱壓法加工成粉芯，也可以利用現(xiàn)在的塑料工程技術，注塑成復雜形狀的磁芯，具有密度小、重量輕、生產(chǎn)效率高、成本低，產(chǎn)品重復性和一致性好等特點。還可以采用不同的配比，改變磁性。上面已介紹軟磁鐵氧體和坡莫合金組成的復合材料的例子，現(xiàn)在已開發(fā)出工作頻率10khz以上的軟磁復合材料粉芯，在高頻用濾波電感器中可代替軟磁鐵氧體。
根據(jù)高頻電子變壓器整體結構的發(fā)展要求，磁芯結構發(fā)展方向是平面磁芯、片式磁芯和薄膜磁芯。平面磁芯以前有的是用原來的軟磁鐵氧體磁芯進行改造，現(xiàn)在已有專門用于平面變壓器的各種低高度軟磁鐵氧體磁芯。將來還可能開發(fā)出各種低高度軟磁復合材料磁芯。片式變壓器的磁芯除了將平面磁芯進一步壓縮而外，也有采用共燒法制造的片式磁芯。
三、線圈結構發(fā)展線圈結構主要的發(fā)展方向是平面線圈，片式線圈和薄膜線圈。
立體結構的高頻變壓器線圈，導線材料考慮集膚效應和鄰近效應采用多股絞線，有時也采用扁銅線和銅帶。絕緣材料采用耐熱等級高的材料，以便提高允許溫升和縮小線圈體積，采用雙層和三層絕緣導線，減少線圈尺寸。曾經(jīng)國內(nèi)開發(fā)出以納米技術把云母泳涂在銅線上的c級絕緣電磁線，已經(jīng)在工頻電機和變壓器中應用，取得良好的效果，估計在高頻電子變壓器中也會得到應用。
平面結構線圈采用銅箔導線，大多數(shù)采用單層和多層印刷電路板制造，也有采用一定圖形的銅箔，多個折疊而成的。絕緣材料一般采用b級材料。
薄膜結構線圈，導線采用銅、銀和金薄膜，制成梳形、螺旋形、運動場形等圖形，絕緣材料采用h級和c級材料?？啥鄬咏Y構或者幾個多層線圈組合起來，或者是幾個線圈和幾個磁芯交叉重疊而成。
