高频电子变压器

　高频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ΔB。

　ΔB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。作为高频高频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，即与高频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。

　高频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，高频电子变压器能正常工作到使用寿命为止。一般使用条件中对高频电子变压器影响最大的是环境温度。决定高频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。

　电磁兼容性是指高频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。高频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25×10-6，锰锌铁氧体的磁致伸缩系数为21×10-6。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0.1×10-6，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0.1×10-6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高频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。

　一，整体结构优化为适应电子设备愈来愈轻薄短小，高频电子变压器可从立体结构向平面结构、片式结构、薄膜结构发展，从而形成一代又一代的新高频电子变压器。比如：平面变压器、片式变压器、薄膜变压器。在设计方面，要研究各种新结构的电磁场分布，如何达到最佳优化设计，还研究多层结构的各种问题；在生产工艺方面，要研究各种新的加工方法，从而保证性能的一致性和实现加工工艺的机械化和自动化等；还可探讨空心变压器的结构、设计方法、制造工艺和应用特点。采用计算机对整体结构方案进行优化和具体设计，这样可以缩短设计时间，减少材料用量，缩短生产周期，降低成本。

　二、降低磁芯材料成本磁芯在以电磁感应原理工作的高频电子变压器中是最关键的部件。磁芯材料的主要发展方向是降低损耗，加宽使用的温度范围和降低成本。

　软磁铁氧体是现在高频电子变压器使用的主要磁芯材料，发展方向是开发性能更好的新品种和降低成本的新工艺。它与传统的软磁铁氧体和软磁合金相比，其磁性金属粒子或者薄膜可以分布在非导体和其他材料中，使高频损耗明显降低，提高了工作频率。加工工艺既可采用热压法加工成粉芯，也可以利用现在的塑料工程技术，注塑成复杂形状的磁芯，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特点。还可以采用不同的配比，改变磁性。上面已介绍软磁铁氧体和坡莫合金组成的复合材料的例子，现在已开发出工作频率10khz以上的软磁复合材料粉芯，在高频用滤波电感器中可代替软磁铁氧体。

　根据高频电子变压器整体结构的发展要求，磁芯结构发展方向是平面磁芯、片式磁芯和薄膜磁芯。平面磁芯以前有的是用原来的软磁铁氧体磁芯进行改造，现在已有专门用于平面变压器的各种低高度软磁铁氧体磁芯。将来还可能开发出各种低高度软磁复合材料磁芯。片式变压器的磁芯除了将平面磁芯进一步压缩而外，也有采用共烧法制造的片式磁芯。

　三、线圈结构发展线圈结构主要的发展方向是平面线圈，片式线圈和薄膜线圈。

　立体结构的高频变压器线圈，导线材料考虑集肤效应和邻近效应采用多股绞线，有时也采用扁铜线和铜带。绝缘材料采用耐热等级高的材料，以便提高允许温升和缩小线圈体积，采用双层和三层绝缘导线，减少线圈尺寸。曾经国内开发出以纳米技术把云母泳涂在铜线上的c级绝缘电磁线，已经在工频电机和变压器中应用，取得良好的效果，估计在高频电子变压器中也会得到应用。

　平面结构线圈采用铜箔导线，大多数采用单层和多层印刷电路板制造，也有采用一定图形的铜箔，多个折叠而成的。绝缘材料一般采用b级材料。

　薄膜结构线圈，导线采用铜、银和金薄膜，制成梳形、螺旋形、运动场形等图形，绝缘材料采用h级和c级材料。可多层结构或者几个多层线圈组合起来，或者是几个线圈和几个磁芯交叉重叠而成。

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