提升開(kāi)關(guān)電源效率 從選擇變壓器磁芯開(kāi)始

　　近年來(lái)，電源中電子變壓器所用的鐵心材料和導電材料價(jià)格連續上漲，上游原材料形成賣(mài)方市場(chǎng)。作為下游的電子變壓器的電源用戶(hù)，可以在全球范圍內選擇和采購，形成買(mǎi)方市場(chǎng)。處于中間位置的電子變壓器行業(yè)，只有走技術(shù)創(chuàng )xin之路，才能擺脫這種兩頭受氣的困境。然而，在成熟的電子變壓器行業(yè)里，技術(shù)創(chuàng )xin比較困難。但是每一個(gè)細小環(huán)節的改進(jìn)，就可以帶來(lái)新的理念和新的產(chǎn)品。

走技術(shù)創(chuàng )xin之路，要時(shí)刻記住要達到的目的。電源中的電子變壓器，象所有作為商品的產(chǎn)品一樣進(jìn)行任何技術(shù)創(chuàng )xin，都必須在具體使用條件下完成具體功能中，追求性能價(jià)格比*好?，F在的電源產(chǎn)品，普遍以“輕、薄、短、小”為特點(diǎn)向小型化和便攜化發(fā)展。電子變壓器必須適應作為用戶(hù)的電源產(chǎn)品對體積和重量的要求。同時(shí)，電子變壓器的原材料(鐵心材料和導電材料)價(jià)格上漲。因此，如何減小體積和重量，如何降低成本，成為近年來(lái)電子變壓器發(fā)展的主要方向。

硅鋼是工頻電源中電子變壓器大量使用的鐵心材料。要減少電子變壓器中的鐵心用量，必須提高硅鋼的工作磁通密度(工作磁密)。硅鋼的工作磁密既決定于飽和磁通密度，又決定于損耗。因為效率是電子變壓器的重要性能指標，現在，為了節能，許多電源產(chǎn)品都提出待機損耗要求。電子變壓器的鐵心損耗是待機損耗的主要組成部分，因此，都對電子變壓器的效率或損耗提出明確的嚴格要求。

2008年以來(lái)，取向和無(wú)取向冷軋硅鋼價(jià)格上漲，卷繞式環(huán)形鐵心，相比于R型、CD型和EI型鐵心，由于消耗材料少，可以節約20%以上的鐵心材料成本，擴大了電子變壓器中的使用范圍。卷繞式環(huán)形鐵心可以充分發(fā)揮取向冷軋硅鋼的性能，與無(wú)取向冷軋鋼相比，工作磁密要高得多。同時(shí)不象R型、CD型和EI型的鐵心那樣，可以充分利用硅鋼材料，不會(huì )有邊角廢料，材料利用率可以達到98%以上。

作為電子變壓器一大類(lèi)的工頻變壓器，采用工作磁密高的鐵心材料后，可以不減少鐵心截面和體積，而是減少線(xiàn)圈匝數，減少用銅量。在現在銅材價(jià)格遠遠高于鐵心材料的情況下，可能是更好的一種設計改進(jìn)方案。

軟磁鐵氧體是中、高頻電源中電子變壓器大量使用的鐵心材料，和金屬軟磁材料相比，軟磁鐵氧體的飽和磁密低，磁導率低，居里溫度低，是它的幾大弱點(diǎn)。尤其是居里溫度低，飽和磁密Bs和單位體積功率損耗Pcv都會(huì )隨溫度變化。溫度上升，Bs下降，Pcv開(kāi)始下降，到谷點(diǎn)后再升高。因此在高溫條件下，只要Bs保持較高水平，就可以把工作磁密Bm選得高一些，從而減少線(xiàn)圈匝數，降低用銅量和成本。高溫高飽和磁密軟磁鐵氧體材料，還可以擴大電子變壓器使用的溫度上限到120益甚至150益。

例如，汽車(chē)用電子設備中的高頻電子變壓器，在外界溫度條件變化大和發(fā)動(dòng)機室發(fā)熱的高溫條件下工作，就必須采用高溫高飽和磁密軟磁鐵氧體。軟磁復合材料(SMC)是上世紀90年代開(kāi)發(fā)出來(lái)的新型軟磁材料，其出發(fā)點(diǎn)是想把金屬軟磁材料的工作頻率向MHz級和GHz級擴展，因此將金屬軟磁材料與其他高電阻材料，如石英、陶瓷、高分子材料等復合在一起，只要控制金屬軟磁材料的體積百分數在逾滲極限以下，就有可能保持軟磁特性，又減少各種高頻率損耗，成為一種新的軟磁材料――軟磁復合材料，取英文名稱(chēng)的**個(gè)字母，簡(jiǎn)稱(chēng)SMC材料。軟磁復合材料中的磁性粒子可以是純鐵、鎳、鈷金屬、鐵鎳合金、鐵鎳鉬合金、鐵鋁合金、鐵基非晶合金、鐵基納米晶合金和軟磁鐵氧體經(jīng)過(guò)粉碎后制成的粉末。

非磁性物體可以是二氧化硅等絕緣體，硅樹(shù)脂、聚乙烯、環(huán)氧樹(shù)脂等高分子材料作粘接劑和硬脂酸等作潤滑劑。磁性粒子和非磁性物體混合后，可以經(jīng)過(guò)絕緣處理、壓制成形、燒結等工藝加工成磁粉芯，也可以采用現在的塑料工程技術(shù)，注塑成各種復雜形狀的磁芯。軟磁復合材料的優(yōu)點(diǎn)是密度小，重量輕，生產(chǎn)效率高，成本低，產(chǎn)品一致性好。缺點(diǎn)是由于磁粒子之間被非磁性物體隔開(kāi)，磁性阻斷，磁導率現在一般都在100以?xún)龋?近報導通過(guò)納米技術(shù)和其他措施，已開(kāi)發(fā)出磁導率超過(guò)1000的軟磁復合材料，*大可達6000。

高分子軟磁復合材料近年來(lái)發(fā)展迅速，在國外已用這種材料制造高頻電源變壓器和電感器，并建立相應的分析理論和設計程序。據作者所知，國內雖然進(jìn)行了高分子軟磁材料的研究開(kāi)發(fā)，但是還未見(jiàn)到用于電源中電子變壓器的報道。

現在，國內正在開(kāi)發(fā)用于電源中電子變壓器的各種鋁導線(xiàn)。一些企業(yè)已經(jīng)開(kāi)發(fā)出銅包鋁導線(xiàn)，銅線(xiàn)在外層，占面積15%，總比重為3.63g/cm3，考慮趨表效應和鄰近效應，這種銅包鋁導線(xiàn)的電阻率比純鋁線(xiàn)會(huì )小不少，而成本增加不多，是一種充分發(fā)揮銅和鋁效果的復合材料。

近年來(lái)另一值得注意的發(fā)展趨勢，是選用溫度指數高、耐熱等級高的180聚酯亞胺Q(chēng)ZY漆包線(xiàn)和220聚酰亞胺Q(chēng)YZ漆包線(xiàn)，導線(xiàn)允許的電流密度增大，導線(xiàn)直徑減少，用銅量減少，鐵心窗口面積減少,用鐵量也同時(shí)減少，可以降低整體成本。特別是對要求體積小的高頻小功率電源變壓器，采用耐熱性更好的漆包線(xiàn),更能顯出技術(shù)經(jīng)濟效益。

電源技術(shù)和電力電子技術(shù)中包含的交流電壓變換技術(shù)，是一種“純粹的”電子變壓器，也能把低壓變成高壓進(jìn)行升壓變換，或者把高壓變成低壓進(jìn)行降壓變換，其主要方法是采用電力電子技術(shù)提高電能變換頻率，從而縮小電路中的變壓器和電感器的體積，并不是取消其中的變壓器和電感器。以前，對這種把電力電子電路和電子變壓器結合起來(lái)的方法，沒(méi)有引起足夠的重視。

近年來(lái)，隨著(zhù)電力系統要求減少輸入和輸出諧波，提高網(wǎng)側功率因數，實(shí)現“綠色變換”的呼聲日益高漲，國內外開(kāi)展了“電力電子變壓器”的研究，才興起了研究開(kāi)發(fā)熱潮。研究如何用電力電子技術(shù)對電力進(jìn)行變換和控制，用電力電子變壓器代替傳統的電磁式配電變壓器?，F在已有單相變換和三相變換等多種電路形式，這種電力電子變壓器不但可以用于高壓大電流電力領(lǐng)域，也可以用于高壓或低壓小電流領(lǐng)域，例如一些高壓電源發(fā)生器和小功率調壓電源等。