高頻變壓器發展探析

摘要：高頻變壓器是現代開關電源的核心部件，本文主要對高頻變壓器發展現狀進行探討和分析，以供大家參閱。

關鍵詞：高頻變壓器 發展現狀

隨著電子信息技術飛速發展，各類小型輕量化的電子設備的電源系統層出不窮，其迅速擴張的用戶群從側面表明了這類電源系統的使用性能不容質疑。此類電源系統的核心部件是開關電源變壓器，它是開關電源系統體積和重量的主要占有者和發熱源，主要用于能量（功率）的轉換與傳輸。開關電源變壓器的高頻化，是確保開關電源系統使用性能的前提下，使其平面智能化、小型輕量化的技術關鍵。

1 高頻變壓器的商品屬性

電源在市場發展中主要追求的指標是效率高、體積小、成本低。高頻電源變壓器屬于商品，具有一般商品的屬性，所以它的設計無異于其他商品，用戶都是根據其功能和使用性能選擇性價比高的產品。目前，這類產品呈現出短、小、輕、薄的發展趨勢，大大節省了制作成本。而高頻電源變壓器作為一項關鍵性技術，也應該體現出短小輕薄的特點。

產品成本涵蓋了產品的設計研發、材料選擇以及生產等各環節所需的成本。筆者結合自身工作經驗，總結了一些數據，把該產品的電流密度、鐵損銅損比例、漏感與激磁電感比例、原邊與副邊繞組損耗比例清楚的體現出來，并提出了關于結構改進設計、窗口填充程度、繞組導線設計的新方案。

隨著變壓器的推廣應用，其生產制造技術也獲得長足發展，可以預測，未來的它將在節能低噪、提高可靠性、環保特性認證、變壓器拓展容量、變壓器多功能組合及多領域發展等幾方面獲得進一步發展。

2 電子變壓器的最新發展

傳統的電子變壓器一般都是在普通鐵氧體磁芯上纏繞銅線繞組，體積比較大，轉換效率不高。經過一代又一代的技術改良和創新，電子設備在體積、重量上呈現出逐漸縮小的趨勢。目前，以移動電話、筆記本電腦為代表的多種便攜式電子設備層出不窮，電子設備以朝著智能化、小型輕量化的方向發展。電子設備體積的大小主要取決于電源體積的大小。電源系統內裝有變壓器、電感器磁性元件，需要根據電源系統的功率容量來設計該元件的體積。由于電源技術的改進大大提高了工作頻率，磁性元件的體積逐漸縮小，變壓器和電感器迎來了微型發展時代，尤其是在航空發展和計算機通信領域貢獻卓著。國際市場也出現了平面變壓器、集成變壓器和采用微制造工藝的芯片形式的微型變壓器。

2.1 整體結構 為真正體現出短小輕薄的特點，我們不斷加大科研力度，依托高新技術推進高頻電子變壓器結構更新換代，實現其由立體結構向平面結構、片式結構乃至薄膜結構轉型，制造出平面變壓器、片式變壓器、薄膜變壓器。高頻電子變壓器結構的更新換代，不但形成了新的磁芯結構及線圈結構，促使基礎材料的研發和應用不斷推陳出新，同時也為產品的設計和生產創新了發展思路。對于產品設計，首先要厘清新結構電磁場分布的情況，甄選最佳設計方案，然后解決各層結構中存在的問題。對于產品的生產，要敢于嘗試多種加工方法，在確保產品性能的前提下使工藝操作自動化、機械化。在MHz級高頻電子變壓器中，空心變壓器在眾多領域被廣泛使用。探討空心變壓器的結構、設計方法、制造工藝和應用特點也是其研究和發展方向。

2.2 磁芯材料和結構 對于由軟磁材料構成的電磁感應高頻電子變壓器來說，磁芯最為關鍵。在高頻電子變壓器安裝磁芯是為了拓寬溫度范圍，減少損耗，進而節省生產成本。根據電磁性能、散熱、用量及成本信息，設計出相應形狀、尺寸的平面磁芯、片式磁芯及薄膜磁芯，就成了技術討論的重要課題。目前有很多企業已瞄準了高頻電子變壓器市場，并且開始嘗試研發新的產品，或對嘗試已有產品進行技術改進。

目前，用于制造高頻電子變壓器的磁芯材料主要是軟磁鐵氧體，大部分設計單位關心的是采用何種工藝流程更節省生產成本，或哪種產品更有市場前景。

在工藝流程上，許多單位都在研究自蔓延高溫合成法（SHS），即通過反應物內部的化學能來完成材料合成。該操作工藝工序簡單，生產效率及產品純度較高，而且耗能低、環保，能夠合成Mg、MgZn、MnZn、NiZn鐵氧體，可以進行規模化生產。火花等離子燒結法（SPS），可以制成多層MnZn鐵氧體和坡莫合金復合軟磁材料磁芯，這種復合軟磁材料磁芯融合了MnZn鐵氧體的高頻低損耗特性和坡莫合金的高磁導率高飽和磁密特性，會大大提高高頻電子變壓器的性能。除此以外，諸如機械合金法、新型水熱合成法、快速燃燒合成法、水熱合成法、微波燒結和自燃燒合成法等工藝的研發和應用也有了新的突破，而且都能在確保產品性能的前提下節省生產成本。

由于軟磁鐵氧體的飽和磁密低，相較于100kHz以上的高頻范圍的軟磁材料來說，在20kHz～100kHz的較高頻范圍內的軟磁材料的性價比稍遜一籌，其他幾種軟磁材料在20kHz～100kHz的較高頻范圍內，無論在性價比方面還是在質量方面，與軟磁鐵氧體都相差無幾。每一種軟磁材都有其使用范圍和特性。所以，未來用于制作高頻電子變壓器的軟磁材料的主要研究方向是，如何利用材料本身的特性形成產品的技術優勢。

由于硅鋼的飽和磁密高，性價比高，因此最近出現了6.5％硅鋼、梯度硅鋼、含鉻的硅鋼、超薄帶硅鋼等一系列高頻用硅鋼。其中，含鉻的硅鋼已作為25kHz的電子變壓器、70kHz的電子變壓器的生產材料廣泛采用。目前，硅鋼使用的工作頻率高達325kHz。

高磁導坡莫合金的磁導率高，雖然對使用環境要求不高，但成本高。如近幾年出現的用于軍工設備及特殊生產行業的坡莫合金超薄帶，其使用工作頻率均在1MHz以上。

另外還有造價相對較高的鈷基非晶合金，它的能耗最低，綜合考慮其性價比，目前它只適用于生產200kHz與1MHz的高頻電子變壓器。

近幾年來，軟磁復合材料已在高頻電子變壓器生產領域得到了推廣和應用。相較于以往的軟磁合金、軟磁鐵氧體來說，這種軟磁材料質量輕、密度小，其磁性金屬薄膜或金屬粒子能夠分布在非導體等多種材料中，從而大幅度提高工效，減少能耗。而且我們不僅能通過塑料工程技術，將軟磁復合材料注塑成線形復雜的磁芯，還能通過熱壓法將其加工成粉芯，不但節約生產成本，能大幅度提高生產效率，而且產品重復性和一致性好。另外，我們還可以通過不同的配比來改變軟磁復合材料的磁性，比如上文提到的軟磁鐵氧體和坡莫合金組成的復合材料，目前使用的軟磁復合材料粉芯的工作頻率已超過10kHz，可以與高頻用濾波電感器中的軟磁鐵氧體替換使用。

就當前市場形勢來看，平面磁芯、片式磁芯、薄膜磁芯的研究和應用仍是目前技術研究的主線。傳統工藝大都通過改造軟磁鐵氧體磁芯來獲得平面磁芯。經過技術創新，我們目前已有了多種專業的高低度軟磁鐵氧體磁芯用于平面變壓器生產。把平面磁芯進一步壓縮得到的便是片式變壓器的磁芯，或通過共燒法來制作。就目前各種材料的發展趨勢來看，應用面較廣的薄膜磁芯和磁性材料可能成為MHz以上高頻電子變壓器的主要結構及磁芯材料，未來有望使薄膜電子變壓器的高度控制在1mm以內，并且可能廣泛應用在各種卡片內。我國正在進行這方面的研究。現在希望能把材料開發，電子變壓器制造領域應該與應用領域合力研究和開發，盡快使現有的薄膜軟磁材料變成高頻電子變壓器磁芯，使我國擁有薄膜變壓器的自主知識產權，助力電子信息技術的更新與發展。

2.3 線圈材料和結構 隨著高頻電子變壓器整體結構的發展，平面線圈、片式線圈、薄膜線圈成為了線圈結構研發的主要趨勢，其中也涵蓋了多層結構的設計和研發。除此以外，用于線圈結構的材料的研究也有了新的突破。

立體結構的高頻變壓器線圈，由于選用的導線材料要同時兼顧集膚效應和鄰近效應，因此可采用多股絞線（里茲線）或銅帶和扁銅線。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，可以減少線圈尺寸。舉一個例子，最近，國內開發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，導線采用銅箔，大多數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。也有采用多層結構的，或者是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。總之，薄膜變壓器是現在正在大力開發的高頻電子變壓器，許多結構并不定型，也許，還會出現許多新的線圈結構。

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