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高频电子变压器基础知识详解

作者:点击:477 发布时间:2022-12-27

高频电子变压器是工作频率高的电子变压器,一般工作频率高于20kHz。

准确定义是工作频率高的电子变压器,一般工作频率高于20kHz,就是高频。

高频电子变压器的定义非常明确,但它被一些国内专家发表的意见误导了。为了回归高频电子变压器的原始面貌,有必要了解变压器、电子变压器、高频电子变压器的概念,以消除这些误解。

高频电子变压器

首先,找出什么是变压器?以电磁感应原理工作的变压器是指在线圈原边缘绕组中加入交变电压,产生交变磁通,在副边缘绕组中感受输出电压,从而发挥传输能量、转换电压(或信号)和电气绝缘隔离的作用。

为了产生电磁感应,原边绕组必须增加交变电压,不可能有直流电压作为工作电源。将直流电压作为工作电源的说法是对变压器范围内的直流变交流逆变器或变频电源的误解。

只要有电磁感应,变压器就可以工作,而不必有磁芯。例如,工作频率为MHz级电子变压器是由印刷电路板制成的空心变压器。高频电子变压器被称为变频电路中使用的磁性变压器件,属于变频电路在变压器范围内的双重误解,并认为变压器必须有磁芯。

无论工作频率如何,变压器都通过电磁感应传输能量。传输能量的大小与变压器使用的材料、结构、尺寸和工作频率有关。如果传输能量为固定值,工作频率高,一定时间内传输能量多,每次传输能量少,变压器材料少,结构尺寸小。本末倒置是一种误解,认为变压器传输能量有限,需要高频解。用脉宽调制(PWM)改变变压器传输能量和电压的方法只是一种额外的控制方法,不仅可以使用高频变压器,还可以使用低频变压器。那种认为有PWM控制后,高频变压器低频变压器的能量传输方式存在差异,高频变压器低频变压器改变电压的方式存在差异,这也是一种误解。

其次,找出什么是电子变压器?电子变压器是电子电路和电子设备中使用的变压器。扩大范围,包括变压器、电感器、互感器等所有电子电路和电子设备中使用的电磁元件。电子不仅限于电力电子(中国更常见的术语是电力电子),还包括工业电子、信息电子、无线电子和微电子。虽然电子变压器不同于电力变压器,但它不同于射频信号变压器,也不限于开关电力变压器电路中的电力变压器。功率变压器只是电子变压器之一。假如电子变压器只看成功率变压器,难免会画地牢。因此,误解电子仅限于功率电子,电子变压器仅限于功率变压器。

第三,找出什么是高频电子变压器?目前,电子变压器工作频率的高、中、低划分有一见的说法,即工作频率为50Hz或60Hz称为工频,或以下称为低频;60Hz至20kHz叫中频,400Hz是中频,不是工频;20kHz以上称为高频。为什么选20kHz为界限?因为,20kHz是声音的上限,超过它就听不到可闻的噪音。因此,工作频率超过20kHz,从20kHz起到MHz级、GHz级是高频。那种把应用频率范围从几十个应用频率范围从几十十个kHz到几兆kHz电子变压器提法有两个误解:一是20kHz,不同于几十kHz。一个是几GHz,不是几兆kHz(注:请按规范词头,不要乱造)。

高频也可以分为高频(20kHz~50kHz)、中高频(50kHz~200kHz)、高频(200kHz~1MHz)、超高频(1MHz以上),但都属于高频,对高频的理解不同,因为适用的功率不同。在不同的功率下,高频有不同的范围是一种误解。

整体结构

高频电子变压器的主要发展方向之一是从高频电子变压器的主要发展方向之一是从三维结构发展到平面结构、新型高频电子变压器:平面变压器、片式变压器和薄膜变压器。随着高频电子变压器整体结构的发展,不仅形成了新的核心结构和线圈结构,采用了新的材料,而且为设计和生产过程带来了新的发展方向。在设计方面,除了研究各种新结构的电磁场分布,如何实现最佳优化设计外,还研究多层结构的各种问题。在生产过程中,应研究各种新的加工方法,以确保性能的一致性和加工过程的机械化和自动化。

在MHz空心变压器在高频电子变压器中的应用越来越多。探讨空心变压器的结构、设计方法、制造工艺和应用特点也是其研究和发展方向。此外,高频电子变压器的研究也是压电变压器等新工作原理的发展方向。经过近十年的研发,压电变压器已实际应用于某些领域。

整体结构方案的优化和具体设计是各种电子设备的主要发展方向之一,当然也是高频电子变压器的主要发展方向。这可以缩短设计时间,减少材料消耗,缩短生产周期,降低成本。

磁芯材料及结构

磁芯是高频电子变压器中最关键的部件,采用软磁材料和电磁感应原理工作。磁芯材料的主要发展方向是减少损耗,扩大使用温度范围,降低成本。磁芯结构的主要发展方向是如何形成平面磁芯、芯片磁芯和薄膜磁芯(电磁性能、散热、用量和成本参数)。

为了竞争高频电子变压器的市场,各种软磁材料不断改进和发展。

软磁铁氧体是高频电子变压器使用的主要磁芯材料,其发展方向是开发性能更好、成本降低的新品种和新工艺。在新材料品种方面,日本TDK2003年,公司开发了宽温低损耗材料PC95,在25℃~120℃温度范围内的损失小于350mW/cm3(在100kHz×200mT条件下)。在80℃时间损失最小,280mW/cm3。25℃时Bs为540mT,100℃时,Bs为420mT。还开发了高温高饱和磁密性材料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该公司还开发了类似的高温高饱和磁密度材料。

高磁导率材料也有许多新品种,如TDK使用公司脉冲变压器H5C5,μi为30000左右。抗电磁干扰电感器HS10、频率特性和阻抗特性好,500kHz磁导率仍然很高,虽然初始磁导率不高,但只有1万左右。高磁导率高饱和磁密性材料DN50,在25℃时Bs为550mT,在100℃时Bs为380mT,μi居室温度约5200,Tc≥210℃。

在新工艺方面,高温合成法自蔓延(SHS)它是近年来研究的热点,其原理是利用反应物内的化学能合成材料。整个过程非常简单,能耗低,生产效率高,产品纯度高,对环境无污染,合成成功Mg、MgZn、MnZn、NiZn铁氧体正在实现工业化。火花等离子烧结法(SPS),可成功制成多层MnZn铁氧体和坡莫合金复合软磁材料磁芯同时具有MnZn该复合软磁材料磁芯将显著提高高频电子变压器的高频低损耗特性和坡莫合金的高磁导率高饱和磁密性特性。自燃合成、快速燃烧合成、水热合成、新型水热合成、机械合金、微波烧结等其他工艺近年来进行了大量研究,符合提高性能、降低成本的发展方向。

20年,由于软磁铁氧体饱和磁密度低,kHz~100kHz在高频范围内,性能价比的优势不如100kHz上述高频范围如此明显,20年还有其他几种软磁材料kHz~100kHz在高频范围内,与软磁铁氧体展开激烈竞争。各种软磁材料都有自己的特点。因此,如何充分发挥各种软磁材料在特定高频电子变压器产品中的优势,实现更好的性能和价格比是高频电子变压器中使用的软磁材料的发展方向。

硅钢具有饱和磁密度高、性能稳定、价格低等特点。近年来,开发了一系列高频硅钢,包括超薄带硅钢、6.5%硅钢、梯度硅钢和含铬硅钢。特别是含铬硅钢已用于25kHz和70kHz在电子变压器中。目前硅钢的工作频率已达到325kHz。

高磁导坡莫合金的特点是磁导率高,环境适应性好,但价格昂贵。近年来开发的坡莫合金超薄带使用频率超过1MHz,在特殊要求的地方和军用设备中使用。钴基非晶合金是现有软磁材料中高频损耗最低的材料,价格昂贵,但在200年kHz磁芯重量小,价格因素不突出,目前200kHz和1MHz广泛应用于高频电子变压器。

软磁复合材料已成为高频电子变压器磁芯材料的主要发展方向。与传统的软磁铁氧体和软磁合金相比,其磁性金属颗粒或薄膜可分布在非导体等材料中,显著降低了高频损耗,提高了工作频率。同时,其加工工艺不仅可以通过热压法加工成粉末芯,还可以通过当前的塑料工程技术注塑成形状复杂的磁芯。具有密度小、重量轻、生产效率高、成本低、产品重复性好、一致性好等特点。不同的比例也可以用来改变磁性。以上介绍了由软磁铁氧体和坡莫合金组成的复合材料的例子,现已开发出10个工作频率kHz在高频滤波电感器中,上述软磁复合粉芯可替代软磁铁氧体。

磁芯结构的发展方向是平面磁芯、片式磁芯和薄膜磁芯。以前有的平面磁芯是用原来的软磁铁氧体磁芯改造的,现在有各种低高度软磁铁氧体磁芯专门用于平面变压器。各种低高度软磁复合材料的磁芯可能在未来开发。除了进一步压缩平面磁芯外,片式变压器的磁芯还采用共烧法制成。薄膜磁芯和磁性材料是高频电子变压器最活跃的发展方向之一MHz上述高频电子变压器的主要磁芯材料和结构可以使薄膜电子变压器的高度达到1mm以下是各种卡片。大力研究中国已经建立了几个中心。现在我们希望将材料开发、电子变压器制造和应用单位结合起来,尽快将国内开发的薄膜软磁性材料转化为电子信息产品中的高频电子变压器磁芯,形成具有国内独立知识产权的薄膜变压器。作者正在努力促进这项工作。

       线圈材料及结构

随着高频电子变压器整体结构的发展,线圈结构的主要发展方向是平线圈、片线圈和薄膜线圈,包括多层结构。各种线圈结构的材料选择也有一些新的发展。

由于立体结构的高频变压器线圈,导线材料采用多股绞线(里兹线),有时采用扁铜线和铜带。绝缘材料采用耐热等级高的材料,提高允许温升,缩小线圈体积,采用双层和三层绝缘线,可减小线圈尺寸。例如,最近,我国开发了一种C级绝缘电磁线,用纳米技术将云母泳涂在铜线上,已应用于工频电机和变压器,取得了良好的效果。据估计,它也将应用于高频电子变压器。

平面结构线圈,导线采用铜箔,多采用单层和多层印刷电路板,也采用一定图形的铜箔,多次折叠。绝缘材料一般为B级材料。

薄膜结构线圈,导线采用铜、银、金膜,形成梳、螺旋、运动场等图形,绝缘材料采用H、C材料。也有多层结构,或几个多层线圈组合,或几个线圈和几个磁芯交叉重叠。简而言之,薄膜变压器是一种正在大力开发的高频电子变压器,许多结构没有成型,也许,会有许多新的线圈结构。

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