電子變壓器的技術創新之路

　　近年來，電源中電子變壓器所用的鐵心材料和導電材料價格連續上漲，上游原材料形成賣方市場。作為下游的電子變壓器的電源用戶，可以在全球范圍內選擇和采購，形成買方市場。處于中間位置的電子變壓器行業，只有走技術創新之路，才能擺脫這種兩頭受氣的困境。然而，在成熟的電子變壓器行業里，技術創新比較困難。但是每一個細小環節的改進，就可以帶來新的理念和新的產品。

　　走技術創新之路，要時刻記住要達到的目的。電源中的電子變壓器，像所有作為商品的產品一樣進行任何技術創新，都必須在具體使用條件下完成具體功能中，追求性能價格比最好。現在的電源產品，普遍以“輕、薄、短、小”為特點向小型化和便攜化發展。電子變壓器必須適應作為用戶的電源產品對體積和重量的要求。同時，電子變壓器的原材料(鐵心材料和導電材料)價格上漲。因此，如何減小體積和重量，如何降低成本，成為近年來電子變壓器發展的主要方向。

　　硅鋼是工頻電源中電子變壓器大量使用的鐵心材料。要減少電子變壓器中的鐵心用量，必須提高硅鋼的工作磁通密度(工作磁密)。硅鋼的工作磁密既決定于飽和磁通密度，又決定于損耗。因為效率是電子變壓器的重要性能指標，現在，為了節能，許多電源產品都提出待機損耗要求。電子變壓器的鐵心損耗是待機損耗的主要組成部分，因此，都對電子變壓器的效率或損耗提出明確的嚴格要求。

　　近年來，取向和無取向冷軋硅鋼價格上漲，卷繞式環形鐵心，相比于R型、CD型和EI 型鐵心，由于消耗材料少，可以節約20%以上的鐵心材料成本，擴大了電子變壓器中的使用范圍。卷繞式環形鐵心可以充分發揮取向冷軋硅鋼的性能，與無取向冷軋鋼相比，工作磁密要高得多。同時不象R型、CD型和EI 型的鐵心那樣，可以充分利用硅鋼材料，不會有邊角廢料，材料利用率可以達到98%以上。

　　作為電子變壓器一大類的工頻變壓器，采用工作磁密高的鐵心材料后，可以不減少鐵心截面和體積，而是減少線圈匝數，減少用銅量。在現在銅材價格遠遠高于鐵心材料的情況下，可能是更好的一種設計改進方案。

　　軟磁鐵氧體是中、高頻電源中電子變壓器大量使用的鐵心材料，和金屬軟磁材料相比，軟磁鐵氧體的飽和磁密低，磁導率低，居里溫度低，是它的幾大弱點。尤其是居里溫度低，飽和磁密Bs和單位體積功率損耗Pcv 都會隨溫度變化。溫度上升，Bs下降，Pcv 開始下降，到谷點后再升高。因此在高溫條件下，只要Bs保持較高水平，就可以把工作磁密Bm選得高一些，從而減少線圈匝數，降低用銅量和成本。高溫高飽和磁密軟磁鐵氧體材料，還可以擴大電子變壓器使用的溫度上限到120益甚至150益。例如，汽車用電子設備中的高頻電子變壓器，在外界溫度條件變化大和發動機室發熱的高溫條件下工作，就必須采用高溫高飽和磁密軟磁鐵氧體。軟磁復合材料(SMC)是上世紀90 年代開發出來的新型軟磁材料，其出發點是想把金屬軟磁材料的工作頻率向MHz 級和GHz 級擴展，因此將金屬軟磁材料與其他高電阻材料，如石英、陶瓷、高分子材料等復合在一起，只要控制金屬軟磁材料的體積百分數在逾滲極限以下，就有可能保持軟磁特性，又減少各種高頻率損耗，成為一種新的軟磁材料——軟磁復合材料，取英文名稱的第一個字母，簡稱SMC材料。 
 
    軟磁復合材料中的磁性粒子可以是純鐵、鎳、鈷金屬、鐵鎳合金、鐵鎳鉬合金、鐵鋁合金、鐵基非晶合金、鐵基納米晶合金和軟磁鐵氧體經過粉碎后制成的粉末。非磁性物體可以是二氧化硅等絕緣體，硅樹脂、聚乙烯、環氧樹脂等高分子材料作粘接劑和硬脂酸等作潤滑劑。磁性粒子和非磁性物體混合后，可以經過絕緣處理、壓制成形、燒結等工藝加工成磁粉芯，也可以采用現在的塑料工程技術，注塑成各種復雜形狀的磁芯。軟磁復合材料的優點是密度小，重量輕，生產效率高，成本低，產品一致性好。缺點是由于磁粒子之間被非磁性物體隔開，磁性阻斷，磁導率現在一般都在100以內，最近報導通過納米技術和其他措施，已開發出磁導率超過1000 的軟磁復合材料，最大可達6000。

　　高分子軟磁復合材料近年來發展迅速，在國外已用這種材料制造高頻電源變壓器和電感器，并建立相應的分析理論和設計程序。據作者所知，國內雖然進行了高分子軟磁材料的研究開發，但是還未見到用于電源中電子變壓器的報道。

　　現在，國內正在開發用于電源中電子變壓器的各種鋁導線。一些企業已經開發出銅包鋁導線，銅線在外層，占面積15%，總比重為3.63 g /cm3，考慮趨表效應和鄰近效應，這種銅包鋁導線的電阻率比純鋁線會小不少，而成本增加不多，是一種充分發揮銅和鋁效果的復合材料。

　　近年來另一值得注意的發展趨勢，是選用溫度指數高、耐熱等級高的180聚酯亞胺QZY 漆包線和220 聚酰亞胺QYZ漆包線，導線允許的電流密度增大，導線直徑減少，用銅量減少，鐵心窗口面積減少,用鐵量也同時減少，可以降低整體成本。特別是對要求體積小的高頻小功率電源變壓器，采用耐熱性更好的漆包線, 更能顯出技術經濟效益。

　　電源技術和電力電子技術中包含的交流電壓變換技術，是一種“純粹的”電子變壓器，也能把低壓變成高壓進行升壓變換，或者把高壓變成低壓進行降壓變換，其主要方法是采用電力電子技術提高電能變換頻率，從而縮小電路中的變壓器和電感器的體積，并不是取消其中的變壓器和電感器。以前，對這種把電力電子電路和電子變壓器結合起來的方法，沒有引起足夠的重視。近年來，隨著電力系統要求減少輸入和輸出諧波，提高網側功率因數，實現“綠色變換”的呼聲日益高漲，國內外開展了“電力電子變壓器”的研究，才興起了研究開發熱潮。研究如何用電力電子技術對電力進行變換和控制，用電力電子變壓器代替傳統的電磁式配電變壓器。現在已有單相變換和三相變換等多種電路形式，這種電力電子變壓器不但可以用于高壓大電流電力領域，也可以用于高壓或低壓小電流領域，例如一些高壓電源發生器和小功率調壓電源等。

　　我國從事電子變壓器研究、開發生產的單位已超過2000 家，其中有國營、民營和外資企業。世界上最大的電子變壓器生產廠家美國普思公司和世界上最大的軟磁鐵氧體生產廠家日本TDK 公司都在我國設有生產基地。世界上許多先進的電子變壓器技術、生產工藝和產品都在我國匯集在一起。面對這樣一個多種化的平臺，技術交流是大有可為的。■