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(shù)與電子變壓器之間的關(guān)系:電子變壓器在電源技術(shù)中的作用,,電源技術(shù)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(jié)構(gòu)對電源技術(shù)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(guān)問題進(jìn)行對話,,互相交流,,共同發(fā)展。
1 電子變壓器在電源技術(shù)中的作用
電子變壓器和半導(dǎo)體開關(guān)器件,,半導(dǎo)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(guān)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(qū)動和觸發(fā)信號作用的脈沖變壓器,驅(qū)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?nèi)嗷蛉嘧儐蜗嘧饔玫南鄶?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(fù)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(diào)節(jié)輸出電壓作用的調(diào)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(dǎo)體開關(guān)換向作用的換向電感器;
13)起開關(guān)作用的磁性開關(guān)電感器和變壓器;
14)起調(diào)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(guān)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(shù)中的作用時,,往往舉高頻開關(guān)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(shù)對電子變壓器的要求
電源技術(shù)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(qiáng)調(diào)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(nèi)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(hù)意識增強(qiáng),,必須注意電磁兼容性,。可靠性是指在具體的使用條件下,,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(qiáng)度的參數(shù)是軟磁材料的居里點(diǎn),。軟磁材料居里點(diǎn)高,,受溫度影響小;軟磁材料居里點(diǎn)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(diǎn)只有215℃,比較低,,磁通密度" title="磁通密度">磁通密度,、磁導(dǎo)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(diǎn)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(diǎn)為370℃,,可以在150℃~180℃以下使用。高磁導(dǎo)坡莫合金的居里點(diǎn)為460℃至480℃,,可以在200℃~250℃以下使用,。微晶納米晶合金的居里點(diǎn)為600℃,取向硅鋼居里點(diǎn)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(dǎo)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(yīng)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(dǎo)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(yīng)電壓,加在負(fù)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(yīng)電壓,也就是決定于單位時間內(nèi)的磁通密度變量ΔB,。ΔB與磁導(dǎo)率無關(guān),,而與飽和磁通密度Bs和剩余磁通密度Br 有關(guān)。從飽和磁通密度來看,,各種軟磁材料的Bs從大到小的順序?yàn)椋鸿F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(dǎo)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(fù)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(guān),,而與磁導(dǎo)率有關(guān),磁導(dǎo)率高,,電感量大,,儲能多,傳送功率大,。各種軟磁材料的磁導(dǎo)率從大到小順序?yàn)椋篘i80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(nèi)的傳送次數(shù)有關(guān),,即與電子變壓器的工作頻率有關(guān)。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(jié)構(gòu)來完成,。絕緣結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度,,與外加和變換的電壓大小有關(guān),電壓越高,,絕緣結(jié)構(gòu)越復(fù)雜,。紋波抑制通過電感器的自感電勢來實(shí)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(dǎo)率有關(guān),,Ni80坡莫合金,、鈷基非晶合金、鐵基微晶納米晶合金磁導(dǎo)率大,,處于優(yōu)勢,,硅鋼和錳鋅鐵氧體磁導(dǎo)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(dá)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(yùn)行,,年總損耗相當(dāng)可觀,有可能達(dá)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(hù)環(huán)境的雙重社會經(jīng)濟(jì)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(shè)計的主要內(nèi)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(guān),,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?yàn)椋哄i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(dǎo)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(yīng)用占優(yōu)勢,。但是當(dāng)工作頻率超過一定值以后,,錳鋅鐵氧體磁性顆粒之內(nèi)的絕緣體被擊穿和熔化,ρ變得相當(dāng)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。