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电源电子变压器最新进展及新品市场分析

2010-11-11 11:27
FlappyBird
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  引言

  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。

  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1.7 T和50 Hz 下,单位重量损耗为1.10 Wkg。日本产的0.23 mm 厚度的取向冷轧硅钢P1.750 为0.88Wkg。硅钢带材表面处理后涂张力涂层,P1.750下降到0.7Wkg。改变退火工艺,细化磁畴,P1.750再下降到0.55~0.45Wkg,远远低于0.35mm厚无取向冷轧硅钢在工作磁密1.5T和50Hz 下(P1.550)的2Wkg。在保证同样损耗条件下,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1.5 T 高1.23 倍,铁心截面和体积可减少23%以上。

  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0.35 mm,纵向饱和磁密为1.80~1.90 T,横向饱和磁密为1.825T,损耗P1.750为1.10~1.25Wkg。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P1.550为3Wkg。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→PC40→PC44→PC50→PC47→PC95→PC90的发展过程。在100℃、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420 mW/cm3;PC44 为340 mW/cm3;PC47为270 mW/cm3。但是100益下的饱和磁密Bs,PC30、PC40、PC44 基本上都为390 mT,PC47 为410 mT,与理论值600 mT 相差甚远,不能认为是高温高饱和磁密材料。

 

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