提升开关电源效率 从选择变压器磁芯开始

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。

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。

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。

2008年以来，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98%以上。

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。

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。软磁复合材料(SMC)是上世纪90年代开发出来的新型软磁材料，其出发点是想把金属软磁材料的工作频率向MHz级和GHz级扩展，因此将金属软磁材料与其他高电阻材料，如石英、陶瓷、高分子材料等复合在一起，只要控制金属软磁材料的体积百分数在逾渗极限以下，就有可能保持软磁特性，又减少各种高频率损耗，成为一种新的软磁材料――软磁复合材料，取英文名称的第一个字母，简称SMC材料。软磁复合材料中的磁性粒子可以是纯铁、镍、钴金属、铁镍合金、铁镍钼合金、铁铝合金、铁基非晶合金、铁基纳米晶合金和软磁铁氧体经过粉碎后制成的粉末。

非磁性物体可以是二氧化硅等绝缘体，硅树脂、聚乙烯、环氧树脂等高分子材料作粘接剂和硬脂酸等作润滑剂。磁性粒子和非磁性物体混合后，可以经过绝缘处理、压制成形、烧结等工艺加工成磁粉芯，也可以采用现在的塑料工程技术，注塑成各种复杂形状的磁芯。软磁复合材料的优点是密度小，重量轻，生产效率高，成本低，产品一致性好。缺点是由于磁粒子之间被非磁性物体隔开，磁性阻断，磁导率现在一般都在100以内，最近报导通过纳米技术和其他措施，已开发出磁导率超过1000的软磁复合材料，最大可达6000。

高分子软磁复合材料近年来发展迅速，在国外已用这种材料制造高频电源变压器和电感器，并建立相应的分析理论和设计程序。据作者所知，国内虽然进行了高分子软磁材料的研究开发，但是还未见到用于电源中电子变压器的报道。

现在，国内正在开发用于电源中电子变压器的各种铝导线。一些企业已经开发出铜包铝导线，铜线在外层，占面积15%，总比重为3.63g/cm3，考虑趋表效应和邻近效应，这种铜包铝导线的电阻率比纯铝线会小不少，而成本增加不多，是一种充分发挥铜和铝效果的复合材料。

近年来另一值得注意的发展趋势，是选用温度指数高、耐热等级高的180聚酯亚胺QZY漆包线和220聚酰亚胺QYZ漆包线，导线允许的电流密度增大，导线直径减少，用铜量减少，铁心窗口面积减少,用铁量也同时减少，可以降低整体成本。特别是对要求体积小的高频小功率电源变压器，采用耐热性更好的漆包线,更能显出技术经济效益。

电源技术和电力电子技术中包含的交流电压变换技术，是一种“纯粹的”电子变压器，也能把低压变成高压进行升压变换，或者把高压变成低压进行降压变换，其主要方法是采用电力电子技术提高电能变换频率，从而缩小电路中的变压器和电感器的体积，并不是取消其中的变压器和电感器。以前，对这种把电力电子电路和电子变压器结合起来的方法，没有引起足够的重视。

近年来，随着电力系统要求减少输入和输出谐波，提高网侧功率因数，实现“绿色变换”的呼声日益高涨，国内外开展了“电力电子变压器”的研究，才兴起了研究开发热潮。研究如何用电力电子技术对电力进行变换和控制，用电力电子变压器代替传统的电磁式配电变压器。现在已有单相变换和三相变换等多种电路形式，这种电力电子变压器不但可以用于高压大电流电力领域，也可以用于高压或低压小电流领域，例如一些高压电源发生器和小功率调压电源等。