引言

　　電源裝置，無論是直流電源還是交流電源,，都要使用由軟磁磁芯制成的電子變壓器" title="電子變壓器">電子變壓器(軟磁電磁元件),。雖然，已經(jīng)有不用軟磁磁芯的空芯電子變壓器和壓電陶瓷變壓器,，但是,，到現(xiàn)在為止，絕大多數(shù)的電源裝置中的電子變壓器,，仍然使用軟磁磁芯,。因此，討論電源技術與電子變壓器之間的關系：電子變壓器在電源技術中的作用,，電源技術對電子變壓器的要求,，電子變壓器采用新軟磁材料和新磁芯結構對電源技術發(fā)展的影響，一定會引起電源行業(yè)和軟磁材料行業(yè)的朋友們的興趣。本文提出一些看法,，以便促成電源行業(yè)與電子變壓器行業(yè)和軟磁材料行業(yè)之間就電子變壓器和軟磁材料的有關問題進行對話,，互相交流，共同發(fā)展,。

　　1 電子變壓器在電源技術中的作用

　　電子變壓器和半導體開關器件,，半導體整流器件，電容器一起,，稱為電源裝置中的4大主要元器件,。根據(jù)在電源裝置中的作用，電子變壓器可以分為：

　　1)起電壓和功率變換作用的電源變壓器,，功率變壓器,，整流變壓器，逆變變壓器,，開關變壓器,，脈沖功率變壓器;

　　2)起傳遞寬帶、聲頻,、中周功率和信號作用的寬帶變壓器,，聲頻變壓器，中周變壓器;

　　3)起傳遞脈沖,、驅動和觸發(fā)信號作用的脈沖變壓器,，驅動變壓器，觸發(fā)變壓器;

　　4)起原邊和副邊絕緣隔離作用的隔離變壓器,，起屏蔽作用的屏蔽變壓器;

　　5)起單相變三相或三相變單相作用的相數(shù)變換變壓器,，起改變輸出相位作用的相位變換變壓器(移相器);

　　6)起改變輸出頻率作用的倍頻或分頻變壓器;

　　7)起改變輸出阻抗與負載阻抗相匹配作用的匹配變壓器;

　　8)起穩(wěn)定輸出電壓或電流作用的穩(wěn)壓變壓器(包括恒壓變壓器)或穩(wěn)流變壓器，起調節(jié)輸出電壓作用的調壓變壓器;

　　9)起交流和直流濾波作用的濾波電感器;

　　10)起抑制電磁干擾" title="電磁干擾">電磁干擾作用的電磁干擾濾波電感器,，起抑制噪聲作用的噪聲濾波電感器;

　　11)起吸收浪涌電流作用的吸收電感器,，起減緩電流變化速率的緩沖電感器;

　　12)起儲能作用的儲能電感器，起幫助半導體開關換向作用的換向電感器;

　　13)起開關作用的磁性開關電感器和變壓器;

　　14)起調節(jié)電感作用的可控電感器和飽和電感器;

　　15)起變換電壓,、電流或脈沖檢測信號的電壓互感器,、電流互感器、脈沖互感器,、直流互感器,、零磁通互感器、弱電互感器,、零序電流互感器,、霍爾電流電壓檢測器。從以上的列舉可以看出,，不論是直流電源,，交流電源，還是特種電源，都離不開電子變壓器,。有人把電源界定為經(jīng)過高頻開關變換的直流電源和交流電源,。在介紹軟磁電磁元件在電源技術中的作用時，往往舉高頻開關電源中的各種電磁元件為例證,。同時,，在電子電源中使用的軟磁電磁元件中，各種變壓器占主要地位,，因此用變壓器作為電子電源中軟磁元件的代表,，稱它們?yōu)?ldquo;電子變壓器”。

　　2 電源技術對電子變壓器的要求

　　電源技術對電子變壓器的要求,，像所有作為商品的產(chǎn)品一樣,，是在具體使用條件下完成具體的功能中追求性能價格比最好。有時可能偏重價格和成本,，有時可能偏重效率和性能?，F(xiàn)在，輕,、薄,、短、小成為電子變壓器的發(fā)展方向,，是強調降低成本。從總的要求出發(fā),，可以對電子變壓器得出四項具體要求：使用條件,，完成功能，提高效率,，降低成本,。

　　2.1 使用條件電子變壓器的使用條件，包括兩方面內容：

　　可靠性和電磁兼容性,。以前只注意可靠性,，現(xiàn)在由于環(huán)境保護意識增強，必須注意電磁兼容性,?？煽啃允侵冈诰唧w的使用條件下，電子變壓器能正常工作到使用壽命為止,。一般使用條件中對電子變壓器影響最大的是環(huán)境溫度,。決定電子變壓器受溫度影響強度的參數(shù)是軟磁材料的居里點。軟磁材料居里點高,，受溫度影響小;軟磁材料居里點低,，對溫度變化比較敏感，受溫度影響大。例如錳鋅鐵氧體的居里點只有215℃,，比較低,，磁通密度" title="磁通密度">磁通密度、磁導率和損耗都隨溫度發(fā)生變化,，除正常溫度25℃而外,，還要給出60℃，80℃,，100℃時的各種參數(shù)數(shù)據(jù),。因此，錳鋅鐵氧體磁芯的工作溫度一般限制在100℃以下,，也就是環(huán)境溫度為40℃時,，溫升必須低于60℃。鈷基非晶合金的居里點為205℃,，也低,，使用溫度也限制在100℃以下。鐵基非晶合金的居里點為370℃,，可以在150℃～180℃以下使用,。高磁導坡莫合金的居里點為460℃至480℃，可以在200℃～250℃以下使用,。微晶納米晶合金的居里點為600℃,，取向硅鋼居里點為730℃，可以在300℃～400℃下使用,。電磁兼容性是指電子變壓器既不產(chǎn)生對外界的電磁干擾,，又能承受外界的電磁干擾。電磁干擾包括可聽見的音頻噪聲和聽不見的高頻噪聲,。電子變壓器產(chǎn)生電磁干擾的主要原因是磁芯的磁致伸縮,。磁致伸縮系數(shù)大的軟磁材料，產(chǎn)生的電磁干擾大,。鐵基非晶合金的磁致伸縮系數(shù)通常為最大(27～30)×10-6,，必須采取減少噪聲抑制干擾的措施。高磁導Ni50坡莫合金的磁致伸縮系數(shù)為25×10-6,，錳鋅鐵氧體的磁致伸縮系數(shù)為21×10-6,。以上這3種軟磁材料屬于容易產(chǎn)生電磁干擾的材料，在應用中要注意,。3%取向硅鋼的磁致伸縮系數(shù)為(1～3)×10-6,，微晶納米晶合金的磁致伸縮系數(shù)為(0.5～2)×10-6。這 2種軟磁材料屬于比較容易產(chǎn)生電磁干擾的材料,。6.5%硅鋼的磁致伸縮系數(shù)為0.1×10-6,，高磁導Ni80坡莫合金的磁致伸縮系數(shù)為(0.1～0.5)×10-6,，鈷基非晶合金的磁致伸縮系數(shù)為0.1×10-6以下。這3種軟磁材料屬于不太容易產(chǎn)生電磁干擾的材料,。由磁致伸縮產(chǎn)生的電磁干擾的頻率一般與電子變壓器的工作頻率相同,。如果有低于或高于工作頻率的電磁干擾，那是由其他原因產(chǎn)生的,。

　　2.2 完成功能電子變壓器從功能上區(qū)分主要有變壓器和電感器2種,。

　　特殊元件完成的功能另外討論。變壓器完成的功能有3個：功率傳送,、電壓變換和絕緣隔離,。電感器完成功能有2個：功率傳送和紋波抑制。功率傳送有2種方式,。第一種是變壓器傳送方式,，即外加在變壓器原繞組上的交變電壓，在磁芯中產(chǎn)生磁通變化,，使副繞組感應電壓,，加在負載上，從而使電功率從原邊傳送到副邊,。傳送功率的大小決定于感應電壓,，也就是決定于單位時間內的磁通密度變量ΔB。ΔB與磁導率無關,，而與飽和磁通密度Bs和剩余磁通密度Br 有關,。從飽和磁通密度來看，各種軟磁材料的Bs從大到小的順序為：鐵鈷合金為2.3～2.4T,，硅鋼為1.75～2.2T,，鐵基非晶合金為 1.25～1.75T，鐵基微晶納米晶合金為1.1～1.5T,，鐵硅鋁合金為1.0～1.6T，高磁導鐵鎳坡莫合金為0.8～1.6T,，鈷基非晶合金為 0.5～1.4T,，鐵鋁合金為0.7～1.3T，鐵鎳基非晶合金為0.4～0.7T,，錳鋅鐵氧體為0.3～0.7T,。作為電子變壓器的磁芯用材料，硅鋼和鐵基非晶合金占優(yōu)勢,，而錳鋅鐵氧體處于劣勢,。功率傳送的第二種是電感器傳送方式，即輸入給電感器繞組的電能,，使磁芯激磁,，變?yōu)榇拍軆Υ嫫饋?，然后通過去磁變成電能釋放給負載。傳送功率的大小決定于電感器磁芯的儲能,，也就是決定于電感器的電感量,。電感量不直接與飽和磁通密度有關，而與磁導率有關,，磁導率高,，電感量大，儲能多,，傳送功率大,。各種軟磁材料的磁導率從大到小順序為：Ni80坡莫合金為(1.2～3)×106，鈷基非晶合金為(1～1.5)×106,，鐵基微晶納米晶合金為(5～8)×105,，鐵基非晶合金為(2～5)×105，Ni50坡莫合金為(1～3)×105,，硅鋼為(2～9)×104,，錳鋅鐵氧體為(1～3)×104。作為電感器的磁芯用材料,，Ni80坡莫合金,、鈷基非晶合金、鐵基微晶納米晶合金占優(yōu)勢,，硅鋼和錳鋅鐵氧體處于劣勢,。傳送功率大小，還與單位時間內的傳送次數(shù)有關,，即與電子變壓器的工作頻率有關,。工作頻率越高，在同樣尺寸的磁芯和線圈參數(shù)下,，傳送的功率越大,。電壓變換通過變壓器原繞組和副繞組匝數(shù)比來完成，不管功率傳送大小如何,，原邊和副邊的電壓變換比等于原繞組和副繞組匝數(shù)比,。絕緣隔離通過變壓器原繞組和副繞組的絕緣結構來完成。絕緣結構的復雜程度,，與外加和變換的電壓大小有關,，電壓越高，絕緣結構越復雜,。紋波抑制通過電感器的自感電勢來實現(xiàn),。只要通過電感器的電流發(fā)生變化，線圈在磁芯中產(chǎn)生的磁通也會發(fā)生變化,，使電感器的線圈兩端出現(xiàn)自感電勢,，其方向與外加電壓方向相反,，從而阻止電流的變化。紋波的變化頻率比基頻高,，電流紋波的電流頻率比基頻大,，因此，更能被電感器產(chǎn)生的自感電勢抑制,。電感器對紋波抑制的能力,，決定于自感電勢的大小，也就是電感量大小,，與磁芯的磁導率有關,，Ni80坡莫合金、鈷基非晶合金,、鐵基微晶納米晶合金磁導率大,，處于優(yōu)勢，硅鋼和錳鋅鐵氧體磁導率小,，處于劣勢,。

　　2.3 提高效率提高效率是對電源和電子變壓器的普遍要求。

　　雖然,，從單個電子變壓器來看,，損耗不大。例如,，100VA電源變壓器,，效率為98%時，損耗只有2W并不多,。但是成十萬個,、成百萬個電源變壓器，總損耗可能達到上十萬W,，甚至上百萬W,。還有，許多電源變壓器一直長期運行,，年總損耗相當可觀,，有可能達到上千萬 kW·h。顯然,，提高電子變壓器的效率，可以節(jié)約電力,。節(jié)約電力后,，可以少建發(fā)電站。少建發(fā)電站后,，可以少消耗煤和石油,，可以少排放 CO2,，SO2，NOx,，廢氣,，污水，煙塵和灰渣,，減少對環(huán)境的污染,。既具有節(jié)約能源，又具有保護環(huán)境的雙重社會經(jīng)濟效益,。因此,，提高效率是對電子變壓器的一個主要要求。電子變壓器的損耗包括磁芯損耗(鐵損)和線圈損耗(銅損),。鐵損只要電子變壓器投入工作,，一直存在，是電子變壓器損耗的主要部分,。因此,，根據(jù)鐵損選擇磁芯材料，是電子變壓器設計的主要內容,，鐵損也成為評價軟磁材料的一個主要參數(shù),。鐵損與電子變壓器磁芯的工作磁通密度和工作頻率有關，在介紹軟磁材料的鐵損時,，必須說明是在什么工作磁通密度下和什么工作頻率下的損耗,。例如，P0.5/400,，表示在工作磁通密度0.5T和工作頻率400Hz下的鐵損,。 P0.1/100k表示在工作磁通密度0.1T和工作頻率100kHz下的鐵損。軟磁材料包括磁滯損耗,、渦流損耗和剩余損耗,。渦流損耗又與材料的電阻率ρ成反比。ρ越大,，渦流損耗越小,。各種軟磁材料的ρ從大到小的順序為：錳鋅鐵氧體為 108～109μΩ·cm，鐵鎳基非晶合金為150～180μΩ·cm,，鐵基非晶合金為130～150μΩ·cm,，鈷基非晶合金為 120～140μΩ·cm，高磁導坡莫合金為40～80μΩ·cm,，鐵硅鋁合金為40～60μΩ·cm,，鐵鋁合金為30～60μΩ·cm，硅鋼為 40～50μΩ·cm,，鐵鈷合金為20～40μΩ·cm,。因此,，錳鋅鐵氧體的ρ比金屬軟磁材料高106～107倍，在高頻中渦流小,，應用占優(yōu)勢,。但是當工作頻率超過一定值以后，錳鋅鐵氧體磁性顆粒之內的絕緣體被擊穿和熔化,，ρ變得相當小,，損耗迅速上升到很高水平，這個工作頻率就是錳鋅鐵氧體的極限工作頻率,。