高頻變壓器的發(fā)展方向

高頻電子變壓器的最大特點(diǎn)就是高頻化。從變壓器的工作原理來看，提高工作頻率，可以減少變壓器的體積和重量，也就是實(shí)現(xiàn)短小輕薄化，從而提高單位體積(或重量)傳輸功率，也就是高功率密度化。這些都是高頻電子變壓器本身固有的特點(diǎn)和直接帶來的結(jié)果，而不能簡(jiǎn)單地把高頻化、短小輕薄化、高功率密度化，作為高頻電子變壓器的發(fā)展方向。下面從高頻電子變壓器的整體結(jié)構(gòu)、磁芯材料和結(jié)構(gòu)、線圈材料和結(jié)構(gòu)幾個(gè)方面，提出一些發(fā)展方向的意見。

1 整體結(jié)構(gòu)

為適應(yīng)電子設(shè)備愈來愈輕薄短小，高頻電子變壓器一個(gè)主要發(fā)展方向是從立體結(jié)構(gòu)向平面結(jié)構(gòu)、片式結(jié)構(gòu)、薄膜結(jié)構(gòu)發(fā)展，從而形成一代又一代的新的高頻電子變壓器：平面變壓器、片式變壓器、薄膜變壓器。高頻電子變壓器的整體結(jié)構(gòu)的發(fā)展，不但形成新的磁芯結(jié)構(gòu)和線圈結(jié)構(gòu)，采用新的材料，而且對(duì)設(shè)計(jì)方面和生產(chǎn)工藝方面也帶來新的發(fā)展方向。在設(shè)計(jì)方面，除了要研究各種新結(jié)構(gòu)的電磁場(chǎng)分布，如何達(dá)到最佳的優(yōu)化設(shè)計(jì)，還要研究多層結(jié)構(gòu)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(shí)現(xiàn)加工工藝的機(jī)械化和自動(dòng)化等。

在MHz級(jí)高頻電子變壓器中，愈來愈多的應(yīng)用領(lǐng)域采用空心變壓器。探討空心變壓器的結(jié)構(gòu)、設(shè)計(jì)方法、制造工藝和應(yīng)用特點(diǎn)也是其研究和發(fā)展方向。另外，壓電變壓器等新工作原理的高頻電子變壓器的研究也是發(fā)展方向，經(jīng)過近十年的研究開發(fā)，壓電變壓器已經(jīng)在一些領(lǐng)域中得到了實(shí)際應(yīng)用。

采用計(jì)算機(jī)對(duì)整體結(jié)構(gòu)方案進(jìn)行優(yōu)化和具體設(shè)計(jì)，是現(xiàn)在各種電子器件的主要發(fā)展方向之一，當(dāng)然也是高頻電子變壓器的一個(gè)主要發(fā)展方向。這樣可以縮短設(shè)計(jì)時(shí)間，減少材料用量，縮短生產(chǎn)周期，降低成本。

2 磁芯材料和結(jié)構(gòu)

磁芯在采用軟磁材料，以電磁感應(yīng)原理工作的高頻電子變壓器中是最關(guān)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。磁芯結(jié)構(gòu)的主要發(fā)展方向是如何形成形狀和尺寸最佳(對(duì)電磁性能、散熱、用量和成本等參數(shù))的平面磁芯、片式磁芯和薄膜磁芯?，F(xiàn)在各種軟磁材料，都在不斷地改進(jìn)和開發(fā)，以競(jìng)爭(zhēng)高頻電子變壓器的市場(chǎng)。

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。在材料新品種方面，日本TDK公司在2003年開發(fā)出寬溫低損耗材料PC95，在25℃～120℃溫度范圍內(nèi)損耗都小于350mW/cm3(在100kHz×200mT條件下)。在80℃時(shí)損耗最小，為280mW/cm3。25℃時(shí)Bs為540mT，100℃時(shí)，Bs為420mT。還開發(fā)出高溫高飽和磁密材料PE33，居里點(diǎn)Tc>290℃，在100℃下，Bs為450mT。在100℃，100kHz×200mT條件下，Pc≤1100mW/cm3，日本FDK公司，德國(guó)EPCOS公司、Ferrocube公司也開發(fā)出類似的高溫高飽和磁密材料。

高磁導(dǎo)率材料也有許多新品種，如TDK公司的脈沖變壓器用H5C5，μi為30000左右?？闺姶鸥蓴_電感器用HS10，同時(shí)具有良好的頻率特性和阻抗特性，在500kHz仍具有較高磁導(dǎo)率，雖然初始磁導(dǎo)率不高，只有10000左右。高磁導(dǎo)率高飽和磁密材料DN50，在25℃時(shí)Bs為550mT，在100℃時(shí)Bs為380mT，μi為5200左右，居里溫度Tc≥210℃。

在新工藝方面，自蔓延高溫合成法(SHS)是近年來的研究熱點(diǎn)，其原理是利用反應(yīng)物內(nèi)部的化學(xué)能來合成材料。整個(gè)工藝極為簡(jiǎn)單，能耗低，生產(chǎn)效率與產(chǎn)品純度高，對(duì)環(huán)境無污染，已經(jīng)成功合成Mg、MgZn、MnZn、NiZn鐵氧體，正在實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化?；鸹ǖ入x子燒結(jié)法(SPS)，可以成功地制成多層MnZn鐵氧體和坡莫合金復(fù)合軟磁材料磁芯，同時(shí)具有MnZn鐵氧體的高頻低損耗特性和坡莫合金的高磁導(dǎo)率高飽和磁密特性，這種復(fù)合軟磁材料磁芯，將使高頻電子變壓器的性能明顯地提高。其他工藝如自燃燒合成法、快速燃燒合成法、水熱合成法、新型水熱合成法、機(jī)械合金法、微波燒結(jié)等，近年來均開展了大量研究，都符合提高性能和降低成本的發(fā)展方向。

由于軟磁鐵氧體的飽和磁密低，在20kHz～100kHz的較高頻范圍內(nèi)，性能價(jià)格比的優(yōu)勢(shì)不如100kHz以上的高頻范圍那樣明顯，其他幾種軟磁材料在20kHz～100kHz的較高頻范圍內(nèi)，與軟磁鐵氧體展開激烈的競(jìng)爭(zhēng)。各種軟磁材料都有各自的特點(diǎn)，因此，如何在具體的高頻電子變壓器產(chǎn)品中，充分發(fā)揮各種軟磁材料的優(yōu)點(diǎn)以達(dá)到更好的性能價(jià)格比，是高頻電子變壓器所用的軟磁材料的發(fā)展方向。

硅鋼的特點(diǎn)是飽和磁密高，性能穩(wěn)定，價(jià)格較低，近年來發(fā)展了一系列高頻用硅鋼，包括超薄帶硅鋼、6.5%硅鋼、梯度硅鋼和含鉻的硅鋼。特別是含鉻的硅鋼已經(jīng)用于25kHz和70kHz的電子變壓器中?，F(xiàn)在硅鋼使用的工作頻率已達(dá)到325kHz。

高磁導(dǎo)坡莫合金的特點(diǎn)是磁導(dǎo)率高，環(huán)境適應(yīng)性好，但是價(jià)格貴，近年來發(fā)展的坡莫合金超薄帶，使用的工作頻率已超過1MHz，在特殊要求的地方和軍工設(shè)備中使用。

鈷基非晶合金是現(xiàn)有軟磁材料中高頻損耗最低的一種材料，價(jià)格貴，但是，在200kHz以上的高頻中使用，磁芯重量小，價(jià)格因素不突出，目前在200kHz和1MHz的高頻電子變壓器中大量使用。

軟磁復(fù)合材料現(xiàn)在成為高頻電子變壓器用磁芯材料的一大發(fā)展方向，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(dǎo)體和其他材料中，使高頻損耗明顯降低，提高了工作頻率。同時(shí)，其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(shù)，注塑成復(fù)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(fù)性和一致性好等特點(diǎn)。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(fù)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(fù)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(jié)構(gòu)的發(fā)展要求，磁芯結(jié)構(gòu)的發(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(jìn)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(fù)合材料磁芯。片式變壓器的磁芯除了將平面磁芯進(jìn)一步壓縮而外，也有采用共燒法制造的片式磁芯。薄膜磁芯和磁性材料是現(xiàn)在高頻電子變壓器最活躍的發(fā)展方向之一，將成為MHz以上高頻電子變壓器的主要磁芯材料和結(jié)構(gòu)，有可能將薄膜電子變壓器的高度做到1mm以下，可以裝入各種卡片內(nèi)。國(guó)內(nèi)已建立幾個(gè)中心在大力研究。現(xiàn)在希望能把材料開發(fā)，電子變壓器制造和應(yīng)用單位聯(lián)合起來，盡快把國(guó)內(nèi)開發(fā)出的薄膜軟磁材料變成電子信息產(chǎn)品中的高頻電子變壓器磁芯，形成國(guó)內(nèi)有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的薄膜變壓器。

3 線圈材料和結(jié)構(gòu)

隨著高頻電子變壓器整體結(jié)構(gòu)的發(fā)展，線圈結(jié)構(gòu)主要的發(fā)展方向是平面線圈，片式線圈和薄膜線圈，其中又包括多層結(jié)構(gòu)。各種線圈結(jié)構(gòu)的材料選用，也有一些新發(fā)展。

立體結(jié)構(gòu)的高頻變壓器線圈，導(dǎo)線材料由于考慮集膚效應(yīng)和鄰近效應(yīng)，采用多股絞線(里茲線)，有時(shí)也采用扁銅線和銅帶。絕緣材料采用耐熱等級(jí)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(dǎo)線，可以減少線圈尺寸。舉一個(gè)例子，最近，國(guó)內(nèi)開發(fā)出以納米技術(shù)把云母泳涂在銅線上的C級(jí)絕緣電磁線，已經(jīng)在工頻電機(jī)和變壓器中應(yīng)用，取得良好的效果，估計(jì)在高頻電子變壓器中也會(huì)得到應(yīng)用。

平面結(jié)構(gòu)線圈，導(dǎo)線采用銅箔，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(gè)折疊而成的。絕緣材料一般采用B級(jí)材料。

薄膜結(jié)構(gòu)線圈，導(dǎo)線采用銅、銀和金薄膜，制成梳形、螺旋形、運(yùn)動(dòng)場(chǎng)形等圖形，絕緣材料采用H級(jí)和C級(jí)材料。也有采用多層結(jié)構(gòu)的，或者是幾個(gè)多層線圈組合起來，或者是幾個(gè)線圈和幾個(gè)磁芯交叉重疊而成?？傊?，薄膜變壓器是現(xiàn)在正在大力開發(fā)的高頻電子變壓器，許多結(jié)構(gòu)并不定型，也許，還會(huì)出現(xiàn)許多新的線圈結(jié)構(gòu)。