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(軟磁電磁元件)。雖然，已經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，到現在為止，絕大多數的電源裝置中的電子變壓器，仍然使用軟磁磁芯。因此，討論電源技術與電子變壓器之間的關系：電子變壓器在電源技術中的作用，電源技術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構對電源技術發展的影響，一定會引起電源行業和軟磁材料行業的朋友們的興趣。本文提出一些看法，以便促成電源行業與電子變壓器行業和軟磁材料行業之間就電子變壓器和軟磁材料的有關問題進行對話，互相交流，共同發展。

　　1 電子變壓器在電源技術中的作用

　　電子變壓器和半導體開關器件，半導體整流器件，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、驅動和觸發信號作用的脈沖變壓器，驅動變壓器，觸發變壓器;

　　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)起單相變三相或三相變單相作用的相數變換變壓器，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載阻抗相匹配作用的匹配變壓器;

　　8)起穩定輸出電壓或電流作用的穩壓變壓器(包括恒壓變壓器)或穩流變壓器，起調節輸出電壓作用的調壓變壓器;

　　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，起幫助半導體開關換向作用的換向電感器;

　　13)起開關作用的磁性開關電感器和變壓器;

　　14)起調節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過高頻開關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中的作用時，往往舉高頻開關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，稱它們為“電子變壓器”。

　　2 電源技術對電子變壓器的要求

　　電源技術對電子變壓器的要求，像所有作為商品的產品一樣，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。現在，輕、薄、短、小成為電子變壓器的發展方向，是強調降低成本。從總的要求出發，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，包括兩方面內容：

　　可靠性和電磁兼容性。以前只注意可靠性，現在由于環境保護意識增強，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境溫度。決定電子變壓器受溫度影響強度的參數是軟磁材料的居里點。軟磁材料居里點高，受溫度影響小;軟磁材料居里點低，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只有215℃，比較低，磁通密度、磁導率和損耗都隨溫度發生變化，除正常溫度25℃而外，還要給出60℃，80℃，100℃時的各種參數數據。因此，錳鋅鐵氧體磁芯的工作溫度一般限制在100℃以下，也就是環境溫度為40℃時，溫升必須低于60℃。鈷基非晶合金的居里點為205℃，也低，使用溫度也限制在100℃以下。鐵基非晶合金的居里點為370℃，可以在150℃～180℃以下使用。高磁導坡莫合金的居里點為460℃至480℃，可以在200℃～250℃以下使用。微晶納米晶合金的居里點為600℃，取向硅鋼居里點為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。電子變壓器產生電磁干擾的主要原因是磁芯的磁致伸縮。磁致伸縮系數大的軟磁材料，產生的電磁干擾大。鐵基非晶合金的磁致伸縮系數通常為最大(27～30)×10-6，必須采取減少噪聲抑制干擾的措施。高磁導Ni50坡莫合金的磁致伸縮系數為25×10-6，錳鋅鐵氧體的磁致伸縮系數為21×10-6。以上這3種軟磁材料屬于容易產生電磁干擾的材料，在應用中要注意。3%取向硅鋼的磁致伸縮系數為(1～3)×10-6，微晶納米晶合金的磁致伸縮系數為(0.5～2)×10-6。這 2種軟磁材料屬于比較容易產生電磁干擾的材料。6.5%硅鋼的磁致伸縮系數為0.1×10-6，高磁導Ni80坡莫合金的磁致伸縮系數為(0.1～0.5)×10-6，鈷基非晶合金的磁致伸縮系數為0.1×10-6以下。這3種軟磁材料屬于不太容易產生電磁干擾的材料。由磁致伸縮產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，那是由其他原因產生的。

　　2.2 完成功能電子變壓器從功能上區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，在磁芯中產生磁通變化，使副繞組感應電壓，加在負載上，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電壓，也就是決定于單位時間內的磁通密度變量ΔB。ΔB與磁導率無關，而與飽和磁通密度Bs和剩余磁通密度Br 有關。從飽和磁通密度來看，各種軟磁材料的Bs從大到小的順序為：鐵鈷合金為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，變為磁能儲存起來，然后通過去磁變成電能釋放給負載。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，而與磁導率有關，磁導率高，電感量大，儲能多，傳送功率大。各種軟磁材料的磁導率從大到小順序為：Ni80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，還與單位時間內的傳送次數有關，即與電子變壓器的工作頻率有關。工作頻率越高，在同樣尺寸的磁芯和線圈參數下，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比。絕緣隔離通過變壓器原繞組和副繞組的絕緣結構來完成。絕緣結構的復雜程度，與外加和變換的電壓大小有關，電壓越高，絕緣結構越復雜。紋波抑制通過電感器的自感電勢來實現。只要通過電感器的電流發生變化，線圈在磁芯中產生的磁通也會發生變化，使電感器的線圈兩端出現自感電勢，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，與磁芯的磁導率有關，Ni80坡莫合金、鈷基非晶合金、鐵基微晶納米晶合金磁導率大，處于優勢，硅鋼和錳鋅鐵氧體磁導率小，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行，年總損耗相當可觀，有可能達到上千萬 kW·h。顯然，提高電子變壓器的效率，可以節約電力。節約電力后，可以少建發電站。少建發電站后，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，減少對環境的污染。既具有節約能源，又具有保護環境的雙重社會經濟效益。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，根據鐵損選擇磁芯材料，是電子變壓器設計的主要內容，鐵損也成為評價軟磁材料的一個主要參數。鐵損與電子變壓器磁芯的工作磁通密度和工作頻率有關，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從大到小的順序為：錳鋅鐵氧體為 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，應用占優勢。但是當工作頻率超過一定值以后，錳鋅鐵氧體磁性顆粒之內的絕緣體被擊穿和熔化，ρ變得相當小，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。