电子变压器的发展方向

近年来，电源中电子变压器所用的铁心材料和导电材料价格连续上涨，上游原材料形成卖方市场。作为

下游的电子变压器的电源用户，可以在全球范围内选择和采购，形成买方市场。处于中间位置的电子变 压器行业，只有走技术创新之路，才能摆脱这种两头受气的困境。然而，在成熟的电子变压器行业里， 技术创新比较困难。但是每一个细小环节的改进，就可以带来新的理念和新的产品。因此，本文从新材 料、新结构、新原理、新产品四个方面介绍近年来电源中电子变压器的一些新进展，供读者参考，如果 有什么不当之处敬请指正。

走技术创新之路，要时刻记住要达到的目的。电源中的电子变压器，象所有作为商品的产品一样进 行任何技术创新，都必须在具体使用条件下完成具体功能中，追求性能价格比最好。现在的电源产品， 普遍以“轻、薄、短、小”为特点向小型化和便携化发展。电子变压器必须适应作为用户的电源产品对 体积和重量的要求。同时，电子变压器的原材料（铁心材料和导电材料）价格上涨。因此，如何减小体 积和重量，如何降低成本，成为近年来电子变压器发展的主要方向。

1 新材料

1.1 硅钢

硅钢是工频电源中电子变压器大量使用的铁心材料。要减少电子变压器中的铁心用量，必须提高硅钢的 工作磁通密度（工作磁密）。硅钢的工作磁密既决定于饱和磁通密度，又决定于损耗。因为效率是电子 变压器的重要性能指标，现在，为了节能，许多电源产品都提出待机损耗要求。电子变压器的铁心损耗 是待机损耗的主要组成部分，因此，都对电子变压器的效率或损耗提出明确的严格要求。

近年来，取向和无取向冷轧硅钢价格上涨，卷绕式环形铁心，相比于 R型、CD型和EI型铁心，由

于消耗材料少，可以节约 20% 以上的铁心材料成本，扩大了电子变压器中的使用范围。卷绕式环形铁心 可以充分发挥取向冷轧硅钢的性能，与无取向冷轧钢相比，

工作磁密要高得多。 同时不象 R 型、 CD 型和

98% 以上

EI 型的铁心那样，可以充分利用硅钢材料，不会有边角废料，材料利用率可以达到

近年来，冷轧取向硅钢有相当大的改进。国产 23Q110 的 0.23mm 取向冷轧硅钢，在工作磁通密度 1.7T 和 50Hz 下，单位重量损耗为 1.10W/kg 0.88W/kg 。硅钢带材表面处理后涂张力涂层， P1.7/50 再下降到 0.55~0.45W/kg ，远远低于 ( P1.5/50 )的 2W/kg 。在保证同样损耗条件下，

日本产的 0.23mm 厚度的取向冷轧硅钢 P1.7/50 为 P1.7/50 下降到 0.7W/kg 。改变退火工艺，细化磁畴，0.35mm 厚无取向冷轧硅钢在工作磁密 1.5T 和 50Hz 下 0.23mm 厚度取向冷轧硅钢工作磁密度可以达到 1.85T ，

如果选取它加工环形铁心， 比用无取向冷轧硅钢的工作磁密 以上 1.5T 高 1.23 倍，铁心截面和体积可减少 23%

现在手机充电器和家用电器的电源适配器中，大量使用 EI 型铁心工频电源变压器，有时会出现过热

现象。 EI 型铁心由 EI 形冲片叠成， E 形冲片中有五分之一长度与纵向(取向方向)正交，要承受横向磁 场，一般都用无取向冷轧硅钢。近年来日本川崎公司开发出可用于 EI 型铁心的 RGE 系列取向冷轧硅钢， 厚度为 0.35mm ，纵向饱和磁密为 1.80~1.90T ，横向饱和磁密为 1.825T ，损耗 P1.7/50 为 1.10~1.25W/kg 。同时，绝缘膜比较薄，冲压加工性能良好，用它制作铁心，工作磁密可取 1.7T 以上， 比用无取向冷轧硅钢高 15% ，铁心截面和体积可以减少 15% 以上，损耗也大大下降，不会再出现过热现 象。日本川崎公司还开发出饱和磁密高的无取向冷轧钢，厚度为 0.5mm ，硅含量小于 1% ，为 0.6% ，铝 含量为 0.3% ，加 0.52% 镍后， 饱和磁密为 1.96T ，损耗 P1.5/50 为 3W/kg 。采用它作为 EI 型铁心材料， 工作磁密也可取 1.7T ，但损耗较大。

值得注意的是：作为电子变压器一大类的工频变压器，采用工作磁密高的铁心材料后，可以不减少 铁心截面和体积，而是减少线圈匝数，减少用铜量。在现在铜材价格远远高于铁心材料的情况下，可能 是更好的一种设计改进方案。

1.2 软磁铁氧体

软磁铁氧体是中、高频电源中电子变压器大量使用的铁心材料，和金属软磁材料相比，软磁铁氧体 的饱和磁密低，磁导率低，居里温度低，是它的几大弱点。尤其是居里温度低，饱和磁密 Bs 和单位体积 功率损耗 Pcv 都会随温度变化。温度上升， Bs 下降， Pcv 开始下降，到谷点后再升高。因此在高温条件 下，只要 Bs 保持较高水平， 就可以把工作磁密 Bm 选得高一些， 从而减少线圈匝数， 降低用铜量和成本。 高温高饱和磁密软磁铁氧体材料，还可以扩大电子变压器使用的温度上限到

120 益甚至 150 益。例如，

汽车用电子设备中的高频电子变压器，在外界温度条件变化大和发动机室发热的高温条件下工作，就必 须采用高温高饱和磁密软磁铁氧体。

作为中、高频电子变压器用的 MnZn软磁铁氧体，以日本TDK公司为代表，大致经历了 PC30 f PC40 f PC44 f PC50 f PC47 f PC95 f PC90 的发展过程。在 100 C、100kHz、200mT 测试条件下，单位体 积功率损耗不断下降。根据该公司 2006 年 4 月份公布的数据， PC30 为 600mW/cm3

；PC40 为

420mW/cm3 ；PC44 为 340mW/cm3 ；PC47 为 270mW/cm3 。但是 100 益下的饱和磁密 Bs， PC30、 PC40 、 PC44 基本上都为 390mT ， PC47 为 410mT ，与理论值 600mT 相差甚远，不能认为是高温高饱 和磁密材料。

近年来，为了在电子变压器应用领域和金属软磁材料竞争，兴起一轮开发高温高饱和磁密 氧体材料的热潮。日本

FDK公司于2003年3月份开发岀4H系列高温高饱和磁密材料。其中

MnZn 铁 4H45和

4H47 在25 C下，Bs分别为520mT 和530mT , 100 C下分别为 450mT 和470mT，但在100 C下， 功率损耗 Pcv 比较高，分别为 450mW/cm3 和

650mW/cm3 。据称，FDK公司在实验室条件下开发岀 4H50材料，100 C下Bs为490mT，但是Pcv 相当大，为800mW/cm3 Pcv 为 680mW/cm3

。日本TDK公司于2004年9月开发岀 PC90材料，在25 C下，Bs为540mT， ;在 100 C下，Bs 为 450mT ，Pcv 为 320mW/cm3

，高于 4H45 材料水平。TOKIN

公司开发岀 BH3材料，在25 C下，其Bs为540mT，Pcv为600mW/cm3 ;而在100 C下，Bs为440mT，

Pcv 为 370mW/cm3 。NICERA 公司开发岀 BM30 材料，25 C下 Bs 为 540mT，Pcv 为 720mW/cm3 ; 在100 C下，Bs为450mT，Pcv为320mW/cm3 。日立金属公司开发岀来的高铁低锌铁氧体材料，

Bs

在 25 C下，为 563mT ;在 100 C下为 560mT，基本不变，150 C为 490mT，但是在 100 C、100kHz、 200mT 测试条件下， Pcv 为 1700mW/cm3 ，偏高，需要改进。

许多电源设备不但要求电子变压器在工作状态下，也就是在高温时损耗要小，同时还要求待机情况 下，也就是在常温时损耗也要小。这些电子变压器可以采用宽温低功耗软磁铁氧体。日本 的PC95就是近年来岀现的高水平宽温铁氧体材料。 280mW/cm3

，100 C为 290mW/cm3

TDK公司开发

25 C时，功耗Pcv为350mW/cm3 ，80 C时为

，120 C时为 350mW/cm3 ，在 100 C时饱和磁密为 410mT。

近年来，还开发岀一系列高磁导率 卩软磁铁氧体材料，作为电子电源设备中脉冲变压器用的，要求

磁导率 卩相对较高，有 TDK公司的 H5C3，卩为15000 士 30% , H5C5，卩为30000 士 30%。EPCOS公 司的T56，卩为20000 士 30%。作为电磁干扰滤波用的，要求磁导率频率特性好，有

TDK公司HS52，卩

为 5500 士 25% ;HS72，卩为 7500 士 25% ;HS10，卩为 10000 士 25%。HITACHI 公司的 MP15T，卩为 15000 士 25%，都可以在 500kHz 以下工作。作为直流滤波用的，要求直流叠加特性好，有

TDK 公司的

DN45，卩为4500 士 25%，使用温度0〜70 C,和改进后的 DNW45 ，卩为4200 士 25%，使用温度-40 °C ~+85 C,川崎公司的 SK-202G，使用温度-40 C ~+85 C,卩为4300 士 25%，以及高饱和磁密高磁导率 材料，如 TDK公司的 DN50，卩为5200 士 20% , Bs在25 C时为550mT，100 C时为380mT，居里温 度 Tc > 210 Co

1.3 非晶和纳米晶合金

自 2005 年初起， 由于取向冷轧硅钢带材国内供需不平衡， 取向冷轧硅钢带材料价格迅速上涨， 现在 已超过铁基非晶合金带材的价格。在现在这个市场价格条件下，铁基非晶合金在工频电源变压器领域中 代替取向冷轧硅钢，不再只是可能的事情，已经变成了现实。在电力变压器行业，配电变压器生产厂纷 纷把铁心材料从取向冷轧硅钢转向铁基非晶合金。同时，从

2006年7月1日起，强制性国家标准“配

电变压器的能效限定值及节能评估值”正式实施，更加推动了配电变压器中用铁基非晶合金代替取向冷 轧硅钢的热潮。和配电变压器一样，工频电源变压器中铁基非晶合金代替取向冷轧硅钢，将会成为电源 中电子变压器的一个主要的新进展。为什么呢？从表 比就可以看岀其中的原因。

1中取向冷轧硅钢与铁基非晶合金技术经济指标对

表1中取向冷轧硅钢以日本生产的高磁感 23R100 和磁畴处理 23R085 为例，铁基非晶合金以国内生产 的1K101和日本日立公司生产的

Metglas2605SA1

为例，从表1中可以看岀以下特点。

1 ）铁基非晶合金的饱和磁密

Bs 比硅钢低，但是在同样的工作磁密 Bm （例如1.4T ）下损耗比硅钢低。

1.35〜1.40T 。硅钢工作磁密

铁基非晶合金的工作磁密 Bm，单相变压器取 1.40〜1.45T ，三相变压器取

Bm ，单相变压器取 1.70T ，三相变压器取 1.65~1.70T ，同样容量的工频变压器用铁基非晶合金的重量 是用硅钢的 120% 左右。

（ 2 ）铁基非晶合金的填充系数对国内生产的 1K101 为 0.85 ，对日本日立公司生产的

Metglas2605SA1 为 0.86-0.90 ，个别的已达到 0.93 。如果用 0.86 与硅钢的 0.945 相比， 同样重量的铁 基非晶合金铁心体积为硅钢的 110% 左右。

（3 ）铁基非晶合金在 1.4T 和 50Hz 条件下的单位重量损耗为 P1.4/50 ，只有硅钢的 26.4%~43% 可以显著减少铁心发热。在同

样损耗和同样散热条件下，铁基非晶合金工频变压器可以比硅钢工频变压器降低铜损，减少铜材，在现 在铜材价格高于铁材价格条件下，采取这种方案是一种降低成本的有效措施。值得注意的是，单位重量 损耗 P1.4/50 是在畸变小于 2%正弦波电压下测试的。而实际的工频电网畸变为 5% 。在这种畸变下的单 位重量损耗 P1.4/50 忆，硅钢为 123%P1.4/50 ，铁基非晶合金为 106%P1.4/50 ，这时，铁基非晶品合 金的 P1.4/50 忆只有硅钢的 22.7%~37% 。

高频电子变压器的发展方向

高频电子变压器的发展方向

高频电子变压器的最大特点就是高频化。从变压器的工作原理来看， 提高工作频率，可以减少变压器的体积和重量，也就是实现短小轻薄化， 从而提高单位体积

（或重量 ）传输功率，也就是高功率密度化。 这些都是高频 电子变压器本身固有

的特点和直接带来的结果，而不能简单地把高频化、 短小轻薄化、高功率密度化，作为高频电子变压器的发展方向。下面从高 频电子变压器的整体结构、磁芯材料和结构、线圈材料和结构几个方面， 提出一些发展方向的意见。

1 整体结构

为适应电子设备愈来愈轻薄短小，高频电子变压器一个主要发展方向 是从立体结构向平面结构、片式结构、薄膜结构发展，从而形成一代又一 代的新的高频电子变压器：平面变压器、片式变压器、薄膜变压器。高频 电子变压器的整体结构的发展，不但形成新的磁芯结构和线圈结构，采用 新的材料，而且对设计方面和生产工艺方面也带来新的发展方向。在设计 方面，除了要研究各种新结构的电磁场分布，如何达到最佳的优化设计， 还要研究多层结构的各种问题。在生产工艺方面，要研究各种新的加工方 法，从而保证性能的一致性和实现加工工艺的机械化和自动化等。

在 MHz 级高频电子变压器中，愈来愈多的应用领域采用空心变压器。 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。另

外，压电变压器等新工作原理的高频电子变压器的研究也是发 展方向，经过近十年的研究开发，压电变压器已经在一些领域中得到了实 际应用。

采用计算机对整体结构方案进行优化和具体设计，是现在各种电子器 件的主要发展方向之一，当然也是高频电子变压器的一个主要发展方向。 这样可以缩短设计时间，减少材料用量，缩短生产周期，降低成本。

2 磁芯材料和结构

磁芯在采用软磁材料，以电磁感应原理工作的高频电子变压器中是最 关键的部件。磁芯材料的主要发展方向是降低损耗，加宽使用的温度范围 和降低成本。磁芯结构的主要发展方向是如何形成形状和尺寸最佳

性能、散热、用量和成本等参数 ）的平面磁芯、片式磁芯和薄膜磁芯。

现在各种软磁材料，都在不断地改进和开发，以竞争高频电子变压器 的市场。 软磁铁氧体是现在高频电子变压器使用的主要磁芯材料，发展方向是 开发性能更好的新品种和降低成本的新工艺。 在材料新品种方面， 日本 TDK 公司在2003年开发出宽温低损耗材料 PC95，在25 C〜120 C温度范围内 损耗都小于

（对电磁

350mW/cm3（在100kHz x 200mT条件下）。在80 C时损耗最 小，为 280mW/cm3

。25 C时 Bs 为 540mT , 100 C时，Bs 为 420mT。

还开发出高温高饱和磁密材料 PE33，居里点Tc>290 C,在100 C下，Bs

为 450mT。在 100 C, 100kHz x 200m条件下，

Pc < 1100mW/cm3 ,

日本 FDK 公司，德国 EPCOS 公司、 Ferrocube 公司也开发出类似的高温 高饱和磁密材料。

高磁导率材料也有许多新品种,如 TDK 公司的脉冲变压器用 H5C5 , 卩为30000左右。抗电磁干扰电感器用 HS10，同时具有良好的频率特性 和阻抗特性,在 500kHz 仍具有较高磁导率,虽然初始磁导率不高,只有 10000左右。高磁导率高饱和

磁密材料 DN50，在25 C时Bs为550mT , 在100 C时Bs为380mT，□为

5200左右，居里温度 Tc > 210 C。

在新工艺方面，自蔓延高温合成法(SHS)是近年来的研究热点，其原理 是利用反应物内部的化学能来合成材料。整个工艺极为简单,能耗低,生 产效率与产品纯度高, 对环境无污染, 已经成功合成 Mg 、MgZn 、MnZn 、 NiZn铁氧体，正在实现产业化。火花等离子烧结法 (SPS)，可以成功地制 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 铁氧 体的高频低损耗特性和坡莫合金的高磁导率高饱和磁密特性,这种复合软 磁材料磁芯,将使高频电子变压器的性能明显地提高。其他工艺如自燃烧 合成法、快速燃烧合成法、水热合成法、新型水热合成法、机械合金法、 微波烧结等,近年来均开展了大量研究,都符合提高性能和降低成本的发 展方向。

由于软磁铁氧体的饱和磁密低， 在20kHz〜100kHz的较高频范围内， 性能价格比的优势不如 100kHz 以上的高频范围那样明显，其他几种软磁 材料在20kHz〜100kHz的较高频范围内，与软磁铁氧体展开激烈的竞争。

各种软磁材料都有各自的特点，因此，如何在具体的高频电子变压器产品 中，充分发挥各种软磁材料的优点以达到更好的性能价格比，是高频电子 变压器所用的软磁材料的发展方向。

硅钢的特点是饱和磁密高，性能稳定，价格较低，近年来发展了一系 列高频用硅钢，包括超薄带硅钢、 6.5%硅钢、梯度硅钢和含铬的硅钢。特 别是含铬的硅钢已经用于 25kHz 和 70kHz 的电子变压器中。现在硅钢使 用的工作频率已达到

325kHz 。

高磁导坡莫合金的特点是磁导率高，环境适应性好，但是价格贵，近 年来发展的坡莫合金超薄带，使用的工作频率已超过 1MHz ，在特殊要求 的地方和军工设备中使用。

钴基非晶合金是现有软磁材料中高频损耗最低的一种材料，价格贵， 但是，在

200kHz 以上的高频中使用，磁芯重量小，价格因素不突出，目 前在200kHz和1MHz的高频电子变压器中大量使用。

软磁复合材料现在成为高频电子变压器用磁芯材料的一大发展方向， 它与传统的软磁铁氧体和软磁合金相比，其磁性金属粒子或者薄膜，可以 分布在非导体和其他材料中，使高频损耗明显降低，提高了工作频率。同 时，其加工工艺既可采用热压法加工成粉芯，也可以利用现在的塑料工程

技术，注塑成复杂形状的磁芯，具有密度小、重量轻、生产效率高、成本 低，产品重复性和一致性好等特点。还可以采用不同的配比，改变磁性。 上面已介绍软磁铁氧体和坡莫合金组成的复合材料的例子，现在已开发出 工作频率 10kHz 以上的软磁复合材料粉芯，在高频用滤波电感器中可代替 软磁铁氧体。

根据高频电子变压器整体结构的发展要求，磁芯结构的发展方向是平 面磁芯、片式磁芯和薄膜磁芯。平面磁芯以前有的是用原来的软磁铁氧体 磁芯进行改造，现在已有专门用于平面变压器的各种低高度软磁铁氧体磁 芯。将来还可能开发出各种低高度软磁复合材料磁芯。片式变压器的磁芯 除了将平面磁芯进一步压缩而外，也有采用共烧法制造的片式磁芯。薄膜 磁芯和磁性材料是现在高频电子变压器最活跃的发展方向之一，将成为 MHz 以上高频电子变压器的主要磁芯材料和结构，有可能将薄膜电子变压 器的高度做到 1mm 以下，可以装入各种卡片内。国内已建立几个中心在 大力研究。现在希望能把材料开发，电子变压器制造和应用单位联合起来， 尽快把国内开发出的薄膜软磁材料变成电子信息产品中的高频电子变压器 磁芯，形成国内有自主知识产权的薄膜变压器。

3 线圈材料和结构

随着高频电子变压器整体结构的发展，线圈结构主要的发展方向是平 线圈，片式线圈和薄膜线圈，其中又包括多层结构。各种线圈结构的材 料选用，也有一些新发展

立体结构的高频变压器线圈，导线材料由于考虑集肤效应和邻近效应， 采用多股绞线 （ 里兹线 ），有时也采用扁铜线和铜带。 绝缘材料采用耐热等级 高的材料，以便提高允许温升和缩小线圈体积，采用双层和三层绝缘导线， 可以减少线圈尺寸。举一个例子，最近，国内开发出以纳米技术把云母泳 涂在铜线上的 C 级绝缘电

磁线，已经在工频电机和变压器中应用，取得良 好的效果，估计在高频电子变压器中也会得到应用。

平面结构线圈，导线采用铜箔，大多数采用单层和多层印刷电路板制 造，也有采用一定图形的铜箔，多个折叠而成的。绝缘材料一般采用 B 级 材料。

薄膜结构线圈，导线采用铜、银和金薄膜，制成梳形、螺旋形、运动 场形等图形，绝缘材料采用 H 级和 C 级材料。也有采用多层结构的，或者 是几个多层线圈组合起来，或者是几个线圈和几个磁芯交叉重叠而成。总 之，薄膜变压器是现在正在大力开发的高频电子变压器，许多结构并不定 型，也许，还会出现许多新的线圈结构