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电子变压器的技术发展趋势

作者:美顺和  来源:www.dasloesung.com   日期:2017/8/1 9:36:17  浏览次数:

电子变压器的技术发展趋势 

1 引言
变压器自从1885年发明问世至今,已有120余年的历史。随着电子技术发展,电子变压器行业的产品结构发生了较大的变化,呈现出产品类型多样性。
电子技术飞速发展,呈现电子设备大功率、小型化的趋势,相应对电子变压器的性能指标提出了越来越高的要求。传统的电子变压器已经远远不能满足市场发展的要求。因此各种新技术、新材料和新工艺的研究与使用,不断的给电子变压器行业注入活力,增强了电子变压器的市场潜力。
为适应电子设备的小型化,电子变压器的一个重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型电子变压器:R型变压器、平面变压器、片式变压器、薄膜变压器。电子变压器的整体结构的发展,形成新的磁芯结构和线图结构;采用新的材料,对技术和生产工艺带来新的发展方向。
文章综述了R型变压器、印刷电路(PCB)型平面变压器、压电变压器、薄膜PCB平面变压器的原理、结构、性能和应用。将有助于了解电子变压器的发展方向,并引导电子变压器行业产品的发展趋势。
2 R型变压器
2.1 概述
R型变压器最早是日本20世纪80年代研制成功的一种高技术、高性能、节能型新颖电子变压器。 铁芯系采用宽窄不一的优质取向冷轧硅钢带卷制成腰园形,而且截面呈圆形,不用切割即可绕制。因此,由此制造的变压器无噪声、漏磁小、空载电流小、铁损低、效率高;并且由于线圈是圆柱形,每圈的铜线长度短,所以内阻小,铜耗低,温升低,过载波动小,爆发力比环形变压器还好;另外,初、次级线圈采用阻燃PBT工程塑料制成的骨架分别绕制,从而抗电强度高,阻燃性好[1-4]。
R型变压器的出现,当时被称为变压器的一次革命。在20世80年代末到90年代初,R型变压器传入我国,很快被我国电子行业重视。
R型变压器是以外形结构命名的,它的截面像字母,故得名R型变压器。
2.2 R型变压器的结构特点
作为最新型的R型铁芯,其选用的材料是厚度为0.3mm(或更薄一些)的冷轧有取向的高导磁硅钢带料,R型铁芯是由一根经过正确计算的、在一台计算机控制的、曲线形硅钢带开料机上进行加工开料,形成两头窄中间宽的特殊的曲线形硅钢带,将这根特殊的硅钢带通过专用的R型铁芯卷绕机卷绕而成,经热处理退火、浸渍绝缘漆,一次成型。R型铁芯的外观光滑,呈椭圆形,铁芯柱的横截面近似为圆形。图1示出理论上的硅钢带展开图,图2示出曲线形硅钢带,图3示出R型铁心图。
R型铁芯不必切割,是一个整体,铁芯柱的横截面占空系数达到99﹪。铁芯磁路中的气隙很少,空载损耗小,噪声低。线圈采用两个圆筒形分离式骨架,对称绕在两个铁芯柱上。
2.3 R型变压器的性能
(1)R型变压器的漏磁小
R型变压器的铁芯没有磁隙且绕线均衡,因而漏磁小,只有E型变压器的1/10以下, C型变压器的1/5,这是由于两个线包反相平分卷线后,漏磁相反,漏磁相互抵消,从而使总漏磁减少到最小。无需设计任何防漏磁措施便能提高整机性能,改善整机结构。
(2)R型变压器效率高
由于铁芯无切割, 铁损很少, 加之采用高品质的材料和紧凑结构, 使铁芯与绕组之间的距离降到最小, 故效率可达到90﹪以上。
(3)R型变压器励磁电流小
R型变压器设计合理,因而具有铁损低、产生热量少,励磁电流小和能耗省的特点。
(4)R型变压器频率特性好
R型变压器在音频范围内工作中,电压波形失真度﹤0.2﹪,频率响应﹤1db; R型变压器在中频(400Hz)工作中,显示出极小的空载电流和空载损耗,其数量级甚至可以达到工作在50Hz中的量值。
(5)R型变压器体积小,重量轻
R型变压器是用无切割铁芯卷绕,使用取向性硅钢片,因而体积小、重量轻。比EI型变压器小30﹪,轻40﹪,薄40﹪。常用卧式结构,薄形化,适合于高密度安装。
(6)R型变压器无噪音发热小
由于R型变压器是用无切割铁芯卷绕,具有均匀圆形截面和连续的绕线,绕组呈圆形,平均匝长减少6﹪~10﹪,用铜量少,铜耗和发热都很低,温升不到E型变压器的1∕2。且由于没有切割,磁致伸缩应力就很容易被吸收,因而保证了应用无噪音。
(7)R型变压器安全系数高
由于R型变压器独特的设计,有阻燃材料制成的互相分离的初级与次级骨架,绝缘性能优良,符合安全标准。
2.4 R型变压器使用注意事项
2.4.1 R型变压器的冲击电流
当变压器次级开路,初级加额定电压时的瞬间,初级电流有一个瞬时的冲击过程, 称之谓冲击电流。冲击电流持续时间很短,在通常50Hz条件下,此电流将持续1/4~1/2周期, 也就是5ms~10ms, 之后便进入稳定状态。
在数毫秒之内的十倍于额定电流都不会使绝缘材料和绕组受损。
R型变压器所特有的冲击电流比较大的特点,降低冲击电流有以下方法:
(1)可以降低铁芯的磁通密度Bm,增加初级绕组匝数w,使变压器在空载合闸时降低铁芯饱和程度, 从而降低冲击电流,但其前提是牺牲了变压器的功率。
(2)功率较大的R型变压器可采用初级阻绕在外层,次级绕组绕在内层的绕制方法,来降低冲击电流。
2.4.2 R型变压器的保护
变压器保护,过流保护又可分为短路保护和过载保护,熔断器只能起到短路保护作用,针对冲击的问题,变压器初级所采用的熔断器可采用延时熔断丝,或者其额定电流取到变压器额定电流的3~3.5倍即可。
2.5 R型变压器的应用
R型变压器的空载损耗很低,能满足目前世界各国对电器、电子产品的电源部分的日趋严格要求,特别适用于作为在几乎没有负载的情况下必要长期通电的电源变压器。
R型变压器的噪音特别低,有良好的隔离效果,输出功率大。使用高精度绕线机制造的R型变压器在仪器或音响设备中使用有突出的表现,能改善设备中的讯噪比,隔离电网带给设备的多次谐波干扰,能使音响的损音下降,动态增加,提高音质效果。
R型变压器有以上的优点,广泛用于工业控制,家用电器,高级音响,信号装置,办公设备,通信设备,测试仪器及医疗仪器等。
3 印刷电路(PCB)型平面变压器
3.1 概述
平面变压器是一种绕组集成在多层印刷电路板上的变压器,利用先进的印刷电路制造工艺技术,将扁平的薄铜片或者若干蚀刻在绝缘薄片上的平面铜绕组在多层板上形成螺旋式线圈,适用于制作高频、高压的中、小功率平面变压器[5~7]。
与传统变压器相比,平面变压器的多层制造过程采用机械加工,提高了绕组的一致性;绕组的几何形状及有关寄生特性限定在PCB制造公差之内,可重复性好;平面变压器的绕组是由薄铜层构成,同时整个变压器结构扁平化,降低了集肤效应的损失;平面变压器的这种设计有低直流铜阻,低的漏感和分布电容的优点,可充分满足谐振电路的要求;同时由于磁芯具有良好的磁屏蔽性,因而可较好的抑制射频干扰。
3.2 平面变压器的结构
平面变压器由一付方形铁氧体铁芯、铜板、PCB板组装而成,两只铁氧体磁芯用环氧树脂粘接在一起。
平面变压器(单元)只有一匝网状次级绕组,这一匝绕组也不同于传统漆包线,而是一片铜皮,贴绕在多个同样大小的冲压铁氧体磁芯表面上。所以,平面变压器的输出电压取决于磁芯的个数,而且平面变压器的输出电流可以通过并联进行扩充,以漏足设计要求。并且平面变压器原边绕组的匝数通常也只有数匝,不仅有效降低了铜损和分布电容、电抗,而且为绕制带来了很多便利。由于磁芯是用简单的冲压件组合而成的,性流的一致性大大提高,也为大批量生产降低了成本。
图4给出了一个平面变压器的剖面图,并且利用两层绕组间距离的不同,而获得在不同间隙下的漏感和交流阻抗值。
3.3 平面变压器的特点
(1)电流分配均等
典型的平面变压器副边绕组有若干个并联的线图。每个副边绕组都和同一个原边绕组相耦合。所以,副边电流产生的安匝数与原边绕组产生的安匝数相等(忽略励磁电流)。这种特性对并联整流电路特别有用。绕组电流分配均等,在并联整流电路中就不影响其它元件。
(2)很高的电流密度
平面变压器有很好的温升特性设计。因为这些特性,所以它能在很小的封装体积内达到很高的电流密度,最高可达到20A/mm2。
(3)高效率密度
因为平面变压器元件的尺寸很小, 它具有很好的温度耗散特性,所以能和有关的半导体器件和电感紧密地封装在一起,实现的电流密度达到30A/模块。
(4)高效率
低漏电感,使它能具有很快的开关时间,很低的交叉损耗,就能使它达到很高的效率。这种变压器副边绕组和原边绕组损耗是很小的。
(5)低的漏电感
绕组与绕组之间的良好耦合,就能使绕组匝间的漏电感保持最小值。输出端到辅助部件的连线很短而且是紧配合,所以绕组上的漏电感也是最小的。
(6)很好的高频特性
在这之前,当变压器运行在高频时会使开关损耗增大和使变压器过热。平面变压器的出现,使这些问题得以解决。平面变压器能做到提供一种既经济又好的变压器模块。它可工作在150 kHz~750 kHz之间。
(7)很好的热耗散特性
平面变压器具有高的面积体积比,很短的热通道的小元件,有利于散热。原边和副边绕组之间的匝间损耗很小。这种磁芯能有效地减少磁芯损耗,所以它能做到高磁通密度。它可在-40℃~130℃之间工作。
(8)绝缘强度高
平面变压器很容易按要求的绝缘层数、厚度进行绝缘。能按客户对漏电感距离的要求进行介电绝缘。
(9)结构简单
平面变压器是由少量部件和最少的绕组构成的,这种模块在自动化装配中特别适用。
(10)外形低
平面变压器中所用的磁芯是很小的,并能排列在平板的表面上。每一磁芯单元外形在3mm~32mm范围内。
(11)低成本
整个变压器是由少量有关的廉价元件组成,加上组装又很方便,所以变压器的成本是很低的。
3.4 平面变压器的应用
3.4.1 平面变压器的应用领域
平面变压器从问世到现在短短的10多年间,主要用途在直流开关电流(AC-DC变换,DC-DC变换),可广泛应用于电子计算机,通信电源、数码相机、数字化电视、笔记本电脑,数字音响、汽车电子、电力设备、航天航空电源、雷达等开关电源领域。平面变压器是军用、工业电源小型化必经之路。
平面变压器非常适合应用在低压(1~60V)、大电流(30A/每磁芯)的开关电源或逆变电源的设计中。
(1)平面变压器制成的5W~60W功率范围DC~DC变换器,已应用于电信系统插卡式板上电源。
(2)平面变压器应用于氙弧灯镇流器DC—DC变换器,已经在中档轿车中使用。
(3)宽带传输(ISDN网络之间的信号传输)应用的平面变压器,也显示了良好的发展前景。
(4)在国防、航空、航天等对重量和稳定性要求高的领域,平面变压器的应用给系统的小型化开拓一个崭新的局面。
3.4.2 平面变压器使用原则
平面变压器的使用主要有以下三个原则:
(1)根据输入电压大小来选用相应型号的平面变压器;
(2)根据输出电流的大小来确定并联的平面变压器个数;
(3)根据输入输出电压的大小来确定变比及原边绕组匝数。
4 压电变压器
4.1 概述
压电变压器是20世纪50年代后期开始研制的一种新型压电器件,最早由C. A. Rosen于1956年发明。即时的压电陶瓷材料是以钛酸钡(BaTiO3)为主,其压电性能低,制成的压电变压器升压比很低,仅有50~60倍,输出电压仅为3kV,实用价值不大,未能引起人们的重视[8~12]。
随着锆钛酸铅(PbZrTiO3)等高机电耦合系数Kp和高机械品质因数Qm压电陶瓷材料的出现,压电变压器的研制才取得了显著的进展。目前已能生产升压比为300~500,输出功率50W以上的压电变压器。
20世纪80年代初,清华大学提出了多层独石化压电变压器的创意及概念,并在国际上最早开展了多层压电变压器的研究。
4.2 压电变压器的结构
压电陶瓷变压器最为常用的是长条片状结构,因其结构简单,制作容易,并且具有较高升压比和较大的输出功率。这种压电陶瓷变压器的形状如图5所示。
整个长条片型压电陶瓷变压器中分成两部分:左半部的上、下两面都有烧渗的银电极,沿厚度方向极比,作为输入端,称为驱动部分;右半部分的右端也有烧渗的银电极,沿长度方向极化,作为输出端,称为发电部分。
左半部分和右半部分两片压电陶瓷片紧紧牢固地结合在一起。
制备好的压电陶瓷晶体在居里温度下属四方晶相多电畴结构,经高压电场极化后因电畴转向,陶瓷体内极化强度不为零而具有压电性。当在压电陶瓷变压器输入端(驱动部分)加上交变电压时,由于逆压电效应,压电陶瓷变压器产生长度方向上的伸缩振动,输入的电能转换成机械能。 在发电部分由于存在纵向振动,通过正压电效应,机械能转换成电能,因此在输出端由电压输出。压电陶瓷变压器的能量转换过程与电磁变压器截然不同,是从电能到机械能又到电能的物理过程。
当压电陶瓷变压器输入端加上频率为瓷片固有谐振频率的交变电压时,通过逆压电效应,瓷片产生沿长度方向的伸缩振动,将输入电能转变机械能;而发电部分则通过正压电效应将机械能转换为电能从而输出电压,因瓷片的长度远大于厚度,故输出端阻抗远大于输入端阻抗,输出端电压远大于输入端电压,一般输入几伏到几十伏的交变电压,可以获得几千伏以上的高压输出。
4.3 压电变压器的特性
(1)转换效率高。满载时达到97%以上(电阻性负载)。
(2)超薄。能量密度很大,相应体积可以做到很小,很薄。厚度一般不超过4mm,最适宜片式化。
(3)输出标准正弦波电压,不受变压器输入波形畸变的影响。
(4)对于低阻负载具有准恒流输出特性。
(5)谐振变压器。可实现零电压、零电流转换。
(6)变压器输入输出之间耐压高,漏流小,一般情况下,变压器的输入输出之间在3700VDC / 分下,漏流<20μA, 在3000VAC ∕ 分下,漏流﹤200μA。
(7)变压器自身具有很好的滤波功能。
(8)变压器具有短路自动保护功能。
(9)不产生反峰压,可靠保护功率放大电路。
(10)没有电磁干扰。 由于换能的过程是由机械振动完成,并不是电磁转换,不会产生电磁干扰(EMI),也不会受到外界的电磁干扰。
(11)环境适用性强,耐低温、耐高温、耐酸、耐碱、不会霉变,寿命长。抗盐雾,耐候性好,尤其适于海洋性气候使用。
(12)安全性好,可靠性高。它采用不燃烧的压电陶瓷制成,没有磁芯和绕组线圈,没有磁饱和问题,不会因负载短路而烧毁,也不怕潮湿。
4.4 压电陶瓷变压器存在一些不足
(1)压电陶瓷变压器输出功率比较小。虽然输出功率可达到20W乃至30~40W,但目前成熟产品的输出功率不超过10W,故此仅适用小功率、小电流和高电压领域。
(2)工作频率范围比较窄。只有当输入电压频率在压电变压器的谐振频率附近时,才有最大输出电压,如果偏离谐振频率,电压下降的幅度较大。
(3)压电陶瓷变压器所涉及的相关控制和驱动电路比较复杂,这会使系统成本增加,可靠性变差。
(4)对安装固定与配置要求比较严格。压电陶瓷变压器有半波膜谐振和全波膜谐振两种安装状态。在固定陶瓷片时,支撑点必须选定在振动位移为零处,即半波膜谐振的支撑点在陶瓷片的中间,全波模谐振的支撑点在距左端的1/4处,否则会影响升压比和转换效率。
4.5 压电变压器的应用
压电变压器经过30多年的发展,器件的材料、驱动电路及控制电路均已发展成熟,目前已被应用于笔记本电脑及手机的LCD的背光驱动高压源、直流开关电源和霓虹灯驱动等方面。
(1)驱动冷阴极管
液晶显示器显示图像时需要均匀的背光,背光由一支或多支冷阴极荧光灯管(CCCF)发光来提供。多层压电变压器的升降比高,高压下工作不会击穿,电磁干扰小,非常适合驱动CCFL,近年来在LCD背光电源中获得了广泛的应用。
(2)DC-DC变换器
从低损耗的角度来讲,能量转换效率提高。符合严格的安全及噪声规格标准。
(3)用于安全防爆系统中的电警棍、防盗网、提款箱、运钞车和保险柜等。
(4)影像管、液晶显示器中的冷阴极管、霓虹灯管、激光管或X光管、高压静电喷涂、高压静电植绒和雷达显示管。
(5)点火系统中的高压脉冲点火器等以及影印机、激光打印机、传真机、静电发生器、静电复印机、医疗器材、空气清新机、臭氧清毒柜以及军事和航天设备等。
5 薄膜变压器
5.1 概述
薄膜变压器由于具有信号隔离和传输的特性,是不可缺少的电子元件。尤其是它具有信号合成和信号转换的特点,与其它电子器件和电路实现方式相比具有无可替代的优势[13~15]。
对此,20世纪90年代,国外研究人员已进行了大量研究,如K. Yamasawa等用10μm厚的金属薄膜作为磁芯制造功率变压器,其效率达到78.0﹪。功率密度仅为3mW/cm2。
M. Yamaguchixi 等采用溅射CoNbZr合金制造出较高功率和效率的变压器,工作在10MHz时达到60.0﹪的效率和0.8W/cm2的功率密度。而同样通过溅射带状丝和非晶CoNbZr薄膜,日本H. Tsujimoto等构造出4mm×9mm的一种新型薄膜变压器一一针孔器件,在300MHz~900MHz频率范围内有超过50﹪的传输效率。
H. S. midorikawa采用Z型线圈和Co-Zr磁芯,研究出应于多层开关调节器的平面膜变压器,在1MHz频率工作时效率可达到77.5﹪。
爱尔兰的Terence D’ Donnell等人研制了在5MHz~10MHz范围内输出功率3.5W,传输效率达到82﹪的NiFe合金磁芯的薄膜变压器。
另外A. H. Miklich等人探讨了采用超导薄膜制作薄膜变压器的相关问题及其可能的应用。
5.2 一种PCB薄膜变压器
电子科技大学电子薄膜与集成器件国家重点实验室梁栋、张怀武采用倒园角矩形的螺旋绕线形式,利用柔性双层PCB板,采用中间过孔方式加大线圈单位面积的绕线匝数,以此有效增加单位面积上的电感量及耦合,制备出如图6所示的面积为20mm×20mm,线宽0.2mm、线间距0.3mm,匝比为6:18的无芯变压器。
此无芯变压器线圈表面已覆盖绝缘层,采用直流磁控溅射,将软磁薄膜镀在此变压器的上下两面,所用软磁薄膜为Co-Fe合金与Ni-Fe合金。所镀薄膜厚度分别约为1.2μm(溅射时间15min)和15μm(溅射时间40min)。
研究了薄膜材料、膜厚等因素对该种变压器性能的影响。结果表明,制得的薄膜PCB平面变压器电感量在0.6~1.6μH,可以有效工作于4~14MHz的频率范围。
采用上述方法制备变压器,可以把变压器从三维变成两维,从而为器件的表面贴装打下基础,并同时满足“更小、更轻、更薄”的要求。
5.3 小结
总的来说,薄膜变压器总体上还是处于基础性研究阶段,还有着体积过大,传输效率与工作频率难以相容等问题。

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