电子变压器的发展方向

电源中电子变压器的一些新发展
近年来，电源中电子变压器所用的铁心材料和导电材料价格连续上涨，上游原材料形成卖方市场。

作为下游的电子变压器的电源用户，可以在全球范围内选择和采购，形成买方市场。

处于中间位置的电子变压器行业，惟独走技术创新之路，才干摆脱这种两头受气的困境。

然而，在成熟的电子变压器行业里，技术创新比较艰难。

但是每一个细小环节的改进，就可以带来新的理念和新的产品。

因此，本文从新材料、新结构、新原理、新产品四个方面介绍近年来电源中电子变压器的一些新发展，供读者参考，如果有什么不当之处敬请指正。

走技术创新之路，要时刻记住要达到的目的。

电源中的电子变压器，象所有作为商品的产品一样进行任何技术创新，都必须在具体使用条件下完成具体功能中，追求性能价格比最好。

现在的电源产品，普遍以轻、薄、短、小为特点向小型化和便携化发展。

电子变压器必须适应作为用户的电源产品对体积和分量的要求。

同时，电子变压器的原材料 (铁心材料和导电材料) 价格上涨。

因此，如何减小体积和分量，如何降低成本，成为近年来电子变压器发展的主要方向。

1 新材料
1.1 硅钢
硅钢是工频电源中电子变压器大量使用的铁心材料。

要减少电子变压器中的铁心用量，必须提高硅钢的工作磁通密度(工作磁密) 。

硅钢的工作磁密既决定于饱和磁通密度，又决定于损耗。

因为效率是电子变压器的重要性能指标，现在，为了节能，许多电源产品都提出待机损耗要求。

电子变压器的铁心损耗是待机损耗的主要组成部份，因此，都对电子变压器的效率或者损耗提出明确的严格要求。

近年来，取向和无取向冷轧硅钢价格上涨，卷绕式环形铁心，相比于R 型、CD 型和EI 型铁心，由于消耗材料少，可以节约20%以上的铁心材料成本，扩大了电子变压器中的使用范围。

卷绕式环形铁心可以充分发挥取向冷轧硅钢的性能，与无取向冷轧钢相比，工作磁密要高得多。

同时不象R 型、CD 型和EI 型的铁心那样，可以充分利用硅钢材料，不会有边角废料，材料利用率可以达到98%以上。

近年来，冷轧取向硅钢有相当大的改进。

国产23Q110 的0.23mm 取向冷轧硅钢，在工作磁通密度1.7 T 和50 Hz 下，单位分量损耗为1.10 W/kg。

日本产的0.23 mm 厚度的取向冷轧硅钢P1.7/50 为0.88W/kg。

硅钢带材表面处理后涂张力涂层，P1.7/50 下降到0.7W/kg。

改变退火工艺，细化磁
畴，P1.7/50 再下降到0.55~0.45W/kg，远远低于0.35mm 厚无取向冷轧硅钢在工作磁密 1.5T 和50Hz 下(P1.5/50)的2W/kg 。

在保证同样损耗条件下，0.23mm 厚度取向冷轧硅钢工作磁密度可以达到 1.85T，如果选取它加工环形铁心，比用无取向冷轧硅钢的工作磁密 1.5 T 高 1.23 倍，铁心截面和体积可减少23%以上。

现在手机充电器和家用电器的电源适配器中，大量使用EI 型铁心工频电源变压器，有时会浮现过热现象。

EI 型铁心由EI 形冲片叠成， E 形冲片中有五分之一长度与纵向(取向方向)正交，要承受横向磁场，普通都用无取向冷轧硅钢。

近年来日本川崎公司开辟出可用于EI 型铁心的RGE 系列取向冷轧硅钢，厚度为0.35 mm，纵向饱和磁密为 1.80~1.90 T，横向饱和磁密为 1.825T，损耗P1.7/50 为1. 10~1.25W/kg 。

同时，绝缘膜比较薄，冲压加工性能良好，用它制作铁心，工作磁密可取1.7T 以上，比用无取向冷轧硅钢高15%，铁心截面和体积可以减少15%以上，损耗也大大下降，不会再浮现过热现象。

日本川崎公司还开辟出饱和磁密高的无取向冷轧钢，厚度为0.5mm，硅含量小于1%，为0.6%，铝含量为0.3%，加0.52%镍后，饱和磁密为1.96T，损耗P1.5/50 为3W/kg 。

采用它作为EI 型铁心材料，工作磁密也可取 1.7T，但损耗较大。

值得注意的是：作为电子变压器一大类的工频变压器，采用工作磁密高的铁心材料后，可以不减少铁心截面和体积，而是减少线圈匝数，减少用铜量。

在现在铜材价格远远高于铁心材料的情况下，可能是更好的一种设计改进方案。

1.2 软磁铁氧体
软磁铁氧体是中、高频电源中电子变压器大量使用的铁心材料，和金属软磁材料相比，软磁铁氧体的饱和磁密低，磁导率低，居里温度低，是它的几大弱点。

特别是居里温度低，饱和磁密Bs 和单位体积功率损耗Pcv 都会随温度变化。

温度上升，Bs 下降，Pcv 开始下降，到谷点后再升高。

因此在高温条件下，只要Bs 保持较高水平，就可以把工作磁密Bm 选得高一些，从而减少线圈匝数，降低用铜量和成本。

高温高饱和磁密软磁铁氧体材料，还可以扩大电子变压器使用的温度上限到120 益甚至150 益。

例如，汽车用电子设备中的高频电子变压器，在外界温度条件变化大和发动机室发热的高温条件下工作，就必须采用高温高饱和磁密软磁铁氧体。

作为中、高频电子变压器用的MnZn 软磁铁氧体，以日本TDK 公司为代表，大致经历了PC30 →PC40→PC44 →PC50 →PC47 →PC95→PC90 的发展过程。

在100℃、100kHz、200mT 测试条件下，单位体积功率损耗不断下降。

根据该公司2022 年4 月份发布的数据，PC30 为600mW/cm3 ；PC40
为420 mW/cm3 ；PC44 为340 mW/cm3 ；PC47 为270 mW/cm3。

但是100 益下的饱和磁密Bs，PC30、PC40、PC44 基本上都为390 mT，PC47 为410 mT，与理论值600 mT 相差甚远，不能认为是高温高饱和磁密材料。

近年来，为了在电子变压器应用领域和金属软磁材料竞争，兴起一轮开辟高温高饱和磁密MnZn 铁氧体材料的热潮。

日本FDK 公司于2003 年3 月份开辟出4H 系列高温高饱和磁密材料。

其中4H45 和4H47 在25℃下，Bs 分别为520 mT 和530mT，100℃下分别为450mT 和470mT，但在100℃下，功率损耗Pcv 比较高，分别为450mW/cm3 和
650mW/ cm3。

据称，FDK 公司在实验室条件下开辟出4H50 材料，100℃下Bs 为490 mT，但是Pcv 相当大，为800mW/ cm3。

日本TDK 公司于2004 年9 月开辟出PC90 材料，在25℃下，Bs 为540mT，Pcv 为680 mW/ cm3；在100℃下，Bs 为450 mT，Pcv 为320mW/ cm3，高于4H45 材料水平。

TOKIN 公司开辟出BH3 材料，在25℃下，其Bs 为540 mT，Pcv 为600 mW/ cm3 ；而在100℃下，Bs 为440 mT，Pcv 为370 mW/ cm3 。

NICERA 公司开辟出BM30 材料，25℃下Bs 为540 mT，Pcv 为720 mW/ cm3；在100℃下，Bs 为450mT，Pcv 为320mW/ cm3。

日立金属公司开辟出来的高铁低锌铁氧体材料，Bs 在25℃下，为563 mT；在100℃下为560 mT，基本不变，150℃为490 mT，但是在100℃、100 kHz、200 mT 测试条件下，Pcv 为1700mW/ cm3，偏高，需要改进。

许多电源设备非但要求电子变压器在工作状态下，也就是在高温时损耗要小，同时还要求待机情况下，也就是在常温时损耗也要小。

这些电子变压器可以采用宽温低功耗软磁铁氧体。

日本TDK 公司开辟的PC95 就是近年来浮现的高水平宽温铁氧体材料。

25℃时，功耗Pcv 为350mW/ cm3，80℃时为280mW/ cm3，100℃为290mW/ cm3，120℃时为350mW/ cm3，在100℃时饱和磁密为410mT。

近年来，还开辟出一系列高磁导率软磁铁氧体材料，作为电子电源设备中脉冲变压器用的，要求磁导率相对较高，有TDK 公司的H5C3，为15 000±30%，H5C5，为30 000±30%。

EPCOS 公司的T56，为20000±30%。

作为电磁干扰滤波用的，要求磁导率频率特性好，有TDK 公司HS52，为5 500±25%；HS72，为7 500±25%；HS10，为10000±25%。

HITACHI 公司的MP15T，为15000±25%，都可以在500kHz 以下工作。

作为直流滤波用的，要求直流叠加特性好，有TDK 公司的DN45，为4500±25%，使用温度0~70℃，和改进后的DNW45，为4 200±25%，使用温度-40℃~+85℃，川崎公司的SK-202G，使用温度-40℃~+85℃，为4300±25%，以及高
饱和磁密高磁导率材料，如TDK 公司的DN50，为5 200±20%，Bs 在25℃时为550 mT，100℃时为380 mT，居里温度Tc≥21 。

1.3 非晶和纳米晶合金
自2005 年初起，由于取向冷轧硅钢带材国内供需不平衡，取向冷轧硅钢带材料价格迅速上涨，现在已超过铁基非晶合金带材的价格。

在现在这个市场价格条件下，铁基非晶合金在工频电源变压器领域中代替取向冷轧硅钢，再也不只是可能的事情，已经变成为了现实。

在电力变压器行业，配电变压器生产厂纷纷把铁心材料从取向冷轧硅钢转向铁基非晶合金。

同时，从2022 年7 月1 日起，强制性国家
标准配电变压器的能效限定值及节能评估值正式实施，更加推动了配电变压器中用铁基非晶合金代替取向冷轧硅钢的热潮。

和配电变压器一样，工频电源变压器中铁基非晶合金代替取向冷轧硅钢，将会
成为电源中电子变压器的一个主要的新发展。

为什么呢？从表 1 中取向冷轧硅钢与铁基非晶合金技术经济指标对照就可以看出其中的原因。

表 1 中取向冷轧硅钢以日本生产的高磁感23R100 和磁畴处理23R085 为例，铁基非晶合金以国内生产的1K101 和日本日立公司生产的Metglas 2605SA1 为例，从表 1 中可以看出以下特点。

(1) 铁基非晶合金的饱和磁密Bs 比硅钢低，但是在同样的工作磁密Bm (例如 1.4T) 下损耗比硅钢低。

铁基非晶合金的工作磁密Bm，单相变压器取 1.40~1.45T，三相变压器取 1.35~1.40T。

硅钢工作磁密Bm，单相变压器取 1.70T，三相变压器取 1.65~1.70T，同样容量的工频变压器用铁基非晶合金的分量是用硅钢的120%摆布。

(2) 铁基非晶合金的填充系数对国内生产的1K101 为0.85，对日本日立公司生产的Metglas 2605SA1 为0.86-0.90 ，个别的已达到0.93。

如果用0.86 与硅钢的0.945 相比，同样分量的铁基非晶合金铁心体积为硅钢的110%摆布。

(3)铁基非晶合金在1.4T 和50Hz 条件下的单位分量损耗为P1.4/50，惟独硅钢的26.4%~43%，可以显著减少铁心发热。

在同
样损耗和同样散热条件下，铁基非晶合金工频变压器可以比硅钢工频变压器降低铜损，减少铜材，在现在铜材价格高于铁材价格条件下，采取这种方案是一种降低成本的有效措施。

值得注意的是，单位分量损耗P1.4/50 是在畸变小于2%正弦波电压下测试的。

而实际的工频电网畸变为5%。

在这种畸变下的
单位分量损耗P1.4/50 忆，硅钢为123%P1.4/50，铁基非晶合金为106%P1.4/50，这时，铁基非晶品合金的P1.4/50 忆惟独硅钢的22.7%~37%。

高频电子变压器的发展方向
高频电子变压器的发展方向
高频电子变压器的最大特点就是高频化。

从变压器的工作原理来看，提高工作频率，可以减少变压器的体积和分量，也就是实现短小轻薄化，从而提高单位体积(或者分量)传输功率，也就是高功率密度化。

这些都是高频电子变压器本身固有的特点和直接带来的结果，而不能简单地把高频化、短小轻薄化、高功率密度化，作为高频电子变压器的发展方向。

下面从高频电子变压器的整体结构、磁芯材料和结构、线圈材料和结构几个方面，提出一些发展方向的意见。

1 整体结构
为适应电子设备愈来愈轻薄短小，高频电子变压器一个主要发展方向是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的高频电子变压器：平面变压器、片式变压器、薄膜变压器。

高频电子变压器的整体结构的发展，非但形成新的磁芯结构和线圈结构，采用新的材料，而且对设计方面和生产工艺方面也带来新的发展方向。

在设计方面，除了要研究各种新结构的电磁场分布，如何达到最佳的优化设计，还要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。

在MHz 级高频电子变压器中，愈来愈多的应用领域采用空心变压器。

探讨空心变压器的结构、设计方法、创造工艺和应用特点也是其研究和发展方向。

此外，压电变压器等新工作原理的高频电子变压器的研究也是发展方向，经过近十年的研究开辟，压电变压器已经在一些领域中得到了实
际应用。

采用计算机对整体结构方案进行优化和具体设计，是现在各种电子器件的主要发展方向之一，固然也是高频电子变压器的一个主要发展方向。

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。

2 磁芯材料和结构
磁芯在采用软磁材料，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。

磁芯结构的主要发展方向是如何形成形状和尺寸最佳(对电磁性能、散热、用量和成本等参数)的平面磁芯、片式磁芯和薄膜磁芯。

现在各种软磁材料，都在不断地改进和开辟，以竞争高频电子变压器的市场。

软磁铁氧体是现在高频电子变压器使用的主要磁芯材料，发展方向是开辟性能更好的新品种和降低成本的新工艺。

在材料新品种方面，日本TDK 公司在2003 年开辟出宽温低损耗材料PC95，在25℃~120℃温度范围内损耗都小于350mW/cm3(在100kHz×200mT 条件下)。

在80℃时损耗最小，为280mW/cm3。

25℃时Bs 为540mT，100℃时，Bs 为420mT 。

还开辟出高温高饱和磁密材料PE33，居里点Tc>290℃，在100℃下，Bs 为450mT。

在100℃，100kHz×200mT 条件下，Pc≤1100mW/cm3 ，日本FDK 公司，德国EPCOS 公司、Ferrocube 公司也开辟出类似的高温高饱和磁密材料。

高磁导率材料也有许多新品种，如TDK 公司的脉冲变压器用H5C5，μi 为30000 摆布。

抗电磁干扰电感器用HS10 ，同时具有良好的频率特性和阻抗特性，在500kHz 仍具有较高磁导率，虽然初始磁导率不高，惟独10000
摆布。

高磁导率高饱和磁密材料DN50，在25℃时Bs 为550mT，在100℃时Bs 为380mT，μi 为5200 摆布，居里温度Tc≥210℃。

在新工艺方面，自蔓延高温合成法(SHS)是近年来的研究热点，其原理是利用反应物内部的化学能来合成材料。

整个工艺极其简单，能耗低，生产效率与产品纯度高，对环境无污染，已经成功合成Mg、MgZn 、MnZn、NiZn 铁氧体，正在实现产业化。

火花等离子烧结法(SPS)，可以成功地制成多层MnZn 铁氧体和坡莫合金复合软磁材料磁芯，同时具有MnZn 铁氧体的高频低损耗特性和坡莫合金的高磁导率高饱和磁密特性，这种复合软磁材料磁芯，将使高频电子变压器的性能明显地提高。

其他工艺如自燃烧合成法、快速燃烧合成法、水热合成法、新型水热合成法、机械合金法、微波烧结等，近年来均开展了大量研究，都符合提高性能和降低成本的发展方向。

由于软磁铁氧体的饱和磁密低，在20kHz~100kHz 的较高频范围内，性能价格比的优势不如100kHz 以上的高频范围那样明显，其他几种软磁材料在20kHz~100kHz 的较高频范围内，与软磁铁氧体展开激烈的竞争。

各种软磁材料都有各自的特点，因此，如何在具体的高频电子变压器产品中，充分发挥各种软磁材料的优点以达到更好的性能价格比，是高频电子变压器所用的软磁材料的发展方向。

硅钢的特点是饱和磁密高，性能稳定，价格较低，近年来发展了一系列高频用硅钢，包括超薄带硅钢、6.5%硅钢、梯度硅钢和含铬的硅钢。

特别是含铬的硅钢已经用于25kHz 和70kHz 的电子变压器中。

现在硅钢使用的工作频率已达到325kHz。

高磁导坡莫合金的特点是磁导率高，环境适应性好，但是价格贵，近年来发展的坡莫合金超薄带，使用的工作频率已超过1MHz，在特殊要求的地方和军工设备中使用。

钴基非晶合金是现有软磁材料中高频损耗最低的一种材料，价格贵，但是，在200kHz 以上的高频中使用，磁芯分量小，价格因素不突出，目前在200kHz 和1MHz 的高频电子变压器中大量使用。

软磁复合材料现在成为高频电子变压器用磁芯材料的一大发展方向，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。

同时，其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、分量轻、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，现在已开辟出工作频率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，磁芯结构的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。

将来还可能开辟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，也有采用共烧法创造的片式磁芯。

薄膜磁芯和磁性材料是现在高频电子变压器最活跃的发展方向之一，将成为MHz 以上高频电子变压器的主要磁芯材料和结构，有可能将薄膜电子变压
器的高度做到1mm 以下，可以装入各种卡片内。

国内已建立几个中心在大力研究。

现在希翼能把材料开辟，电子变压器创造和应用单位联合起来，尽快把国内开辟出的薄膜软磁材料变成电子信息产品中的高频电子变压器磁芯，形成国内有自主知识产权的薄膜变压器。

3 线圈材料和结构
随着高频电子变压器整体结构的发展，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，其中又包括多层结构。

各种线圈结构的材料选用，也有一些新发展。

立体结构的高频变压器线圈，导线材料由于考虑集肤效应和邻近效应，采用多股绞线(里兹线)，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，可以减少线圈尺寸。

举一个例子，最近，国内开辟出以纳米技术把云母泳涂在铜线上的C 级绝缘电磁线，已经在工频机电和变压器中应用，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，导线采用铜箔，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。

绝缘材料普通采用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。

也有采用多层结构的，或者是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。

总之，薄膜变压器是现在正在大力开辟的高频电子变压器，许多结构并不定型，也许，还会浮现许多新的线圈结构。