高頻電子變壓器基礎知識詳解

高頻電子變壓器就是工作頻率高的電子變壓器，一般工作頻率高于20kHz。 準確的定義，就是工作頻率高的電子變壓器，一般工作頻率高于20kHz，就是高頻。 高頻電子變壓器的定義是非常明確的，只不過被國內一部分專家發表的一些見解誤導了。下面為了還高頻電子變壓器的本來面目，有必要弄清變壓器、電子變壓器、高頻電子變壓器的概念，以便消除那些誤解。 首先，弄清什么是變壓器？以電磁感應原理工作的變壓器，是指在線圈原邊繞組加交變電壓，產生交變磁通，在副邊繞組感生輸出電壓，從而起到傳輸能量，變換電壓（或信號），電氣絕緣隔離的作用。 要產生電磁感應，原邊繞組必須加交變電壓，不可能有直流電壓作工作電源的變壓器。那種把直流電壓作工作電源的說法，是把直流變交流的逆變器，或者變頻電源包括在變壓器的范圍內的一種誤解。 只要有電磁感應存在，變壓器就可以工作，而不一定要有磁芯，例如，工作頻率為MHz級的電子變壓器，就是由印刷電路板制作的空心變壓器。那種把高頻電子變壓器說成是“用在具有變頻電路中的磁性變壓器件”的說法，屬于既把變頻電路包括在變壓器范圍內，又認為變壓器一定要有磁芯的雙重誤解。 變壓器不論工作頻率高低，都是通過電磁感應來傳輸能量的。傳輸能量的大小，與變壓器所用的材料、結構、尺寸和工作頻率有關。如果傳輸的能量為定值，工作頻率高，在一定時間內傳輸能量的次數多，每一次傳輸的能量可以少，則變壓器用的材料少，結構尺寸小。那種認為變壓器傳輸能量有限，要用高頻來增加傳輸能量的說法，是一種本末倒置的誤解。用脈寬調制（PWM）方式改變變壓器傳輸能量和電壓大小，只是一種外加控制方法，不單高頻變壓器可以用，低頻變壓器也可以用。那種認為有PWM控制后，高頻變壓器和低頻變壓器傳輸能量方式有差異，高頻變壓器和低頻變壓器改變電壓的方式有差異的說法，也是一種誤解。 其次，弄清什么是電子變壓器？電子變壓器是在電子電路和電子設備中使用的變壓器。如果把范圍擴大一些，包括所有電子電路和電子設備中使用的變壓器、電感器、互感器等電磁元件。電子并不只限于功率電子（國內更通用的術語是電力電子），還包括工業電子、信息電子、無線電子和微電子，電子變壓器雖然區別于電力變壓器，但是并不區別于射頻信號變壓器，也不只限于“開關功率變換器電路中的功率變壓器”。功率變壓器只是電子變壓器中的一種。如果把電子變壓器只看成功率變壓器，難免會畫地為牢。所以，把電子只限于功率電子，把電子變壓器只限于功率變壓器的說法是一種誤解。 再次，弄清什么是高頻電子變壓器？現在，對電子變壓器工作頻率的高、中、低劃分有一個通行的說法，即工作頻率50Hz或60Hz叫工頻，或者在它以下的叫低頻；60Hz至20kHz叫中頻，400Hz是中頻，而不是工頻；20kHz以上叫高頻。為什么選20kHz為界限？因為，20kHz是聲頻上限，超過它就聽不見可聞噪聲。所以，工作頻率超過20kHz，從20kHz起到MHz級、GHz級是高頻。那種把“應用頻率范圍從幾十kHz到幾兆kHz的”電子變壓器的提法，有兩個誤解：一個是20kHz，不同于幾十kHz。一個是幾GHz，不是幾兆kHz（注：請按規范的詞頭，不能自己亂造）。 高頻中還可以劃分成較高頻（20kHz～50kHz）、中高頻（50kHz～200kHz）、高頻（200kHz～1MHz）、超高頻（1MHz以上），但都屬于高頻，并不因為適用的功率不同，而對高頻有不同的理解。那種對不同功率下，高頻有不同范圍的說法，是一種誤解。 整體結構 為適應電子設備愈來愈輕薄短小，高頻電子變壓器一個主要發展方向是從立體結構向平面結構、片式結構、薄膜結構發展，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構的發展，不但形成新的磁芯結構和線圈結構，采用新的材料，而且對設計方面和生產工藝方面也帶來新的發展方向。在設計方面，除了要研究各種新結構的電磁場分布，如何達到最佳的優化設計，還要研究多層結構的各種問題。在生產工藝方面，要研究各種新的加工方法，從而保證性能的一致性和實現加工工藝的機械化和自動化等。 在MHz級高頻電子變壓器中，愈來愈多的應用領域采用空心變壓器。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。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展方向，經過近十年的研究開發，壓電變壓器已經在一些領域中得到了實際應用。 采用計算機對整體結構方案進行優化和具體設計，是現在各種電子器件的主要發展方向之一，當然也是高頻電子變壓器的一個主要發展方向。這樣可以縮短設計時間，減少材料用量，縮短生產周期，降低成本。 磁芯材料和結構 磁芯在采用軟磁材料，以電磁感應原理工作的高頻電子變壓器中是最關鍵的部件。磁芯材料的主要發展方向是降低損耗，加寬使用的溫度范圍和降低成本。磁芯結構的主要發展方向是如何形成形狀和尺寸最佳（對電磁性能、散熱、用量和成本等參數）的平面磁芯、片式磁芯和薄膜磁芯。 現在各種軟磁材料，都在不斷地改進和開發，以競爭高頻電子變壓器的市場。 軟磁鐵氧體是現在高頻電子變壓器使用的主要磁芯材料，發展方向是開發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年開發出寬溫低損耗材料PC95，在25℃～120℃溫度范圍內損耗都小于350mW/cm3（在100kHz×200mT條件下）。在80℃時損耗最小，為280mW/cm3。25℃時Bs為540mT，100℃時，Bs為420mT。還開發出高溫高飽和磁密材料PE33，居里點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EPCOS公司、Ferrocube公司也開發出類似的高溫高飽和磁密材料。 高磁導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。抗電磁干擾電感器用HS10，同時具有良好的頻率特性和阻抗特性，在500kHz仍具有較高磁導率，雖然初始磁導率不高，只有10000左右。高磁導率高飽和磁密材料DN50，在25℃時Bs為550mT，在100℃時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，其原理是利用反應物內部的化學能來合成材料。整個工藝極