电源技术与电子变压器[推荐]

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1、资料内容仅供您学习参考，如有不当或者侵权，请联系改正或者删除。 电源技术与电子变压器 0 引言 电源装置 , 无论是直流电源还是交流电源, 都要使用由软磁磁芯制成的电子变压器( 软磁电 磁元件 ) 。 虽然, 已经有不用软磁磁芯的空芯电子变压器和压电陶瓷变压器, 可是, 到现在为 止, 绝大多数的电源装置中的电子变压器, 依然使用软磁磁芯。因此, 讨论电源技术与电子变 压器之间的关系 : 电子变压器在电源技术中的作用, 电源技术对电子变压器的要求, 电子变 压器采用新软磁材料和新磁芯结构对电源技术发展的影响, 一定会引起电源行业和软磁材料 行业的朋友们的兴趣。 本文提出一些看法 , 以便促成电

2、源行业与电子变压器行业和软磁材料行 业之间就电子变压器和软磁材料的有关问题进行对话, 互相交流 , 共同发展。 1 电子变压器在电源技术中的作用 电子变压器和半导体开关器件, 半导体整流器件 , 电容器一起 , 称为电源装置中的 4 大主要元器件。根据在电源装置中的作用, 电子变压器能够分为 : 1) 起电压和功率变换作用的电源变压器, 功率变压器 , 整流变压器 , 逆变变压器 , 开关变压器 , 脉冲功率变压器 ; 2) 起传递宽带、 声频、 中周功率和信号作用的宽带变压器, 声频变压器 , 中周变压 器; 3) 起传递脉冲、驱动和触发信号作用的脉冲变压器, 驱动变压器 , 触发变压器 ;

3、 4) 起原边和副边绝缘隔离作用的隔离变压器, 起屏蔽作用的屏蔽变压器 ; 5) 起单相变三相或三相变单相作用的相数变换变压器, 起改变输出相位作用的相位 变换变压器 ( 移相器 ) ; 6) 起改变输出频率作用的倍频或分频变压器; 7) 起改变输出阻抗与负载阻抗相匹配作用的匹配变压器; 资料内容仅供您学习参考，如有不当或者侵权，请联系改正或者删除。 8) 起稳定输出电压或电流作用的稳压变压器( 包括恒压变压器 ) 或稳流变压器 , 起 调节输出电压作用的调压变压器; 9) 起交流和直流滤波作用的滤波电感器; 10) 起抑制电磁干扰作用的电磁干扰滤波电感器, 起抑制噪声作用的噪声滤波电感 器;

4、 11) 起吸收浪涌电流作用的吸收电感器, 起减缓电流变化速率的缓冲电感器; 12) 起储能作用的储能电感器 , 起帮助半导体开关换向作用的换向电感器; 13) 起开关作用的磁性开关电感器和变压器; 14) 起调节电感作用的可控电感器和饱和电感器; 15) 起变换电压、电流或脉冲检测信号的电压互感器、电流互感器、脉冲互感器、 直流互感器、零磁通互感器、弱电互感器、零序电流互感器、霍尔电流电压检测器。 从以上的列举能够看出 , 不论是直流电源 , 交流电源 , 还是特种电源 , 都离不开电子 变压器。有人把电源界定为经过高频开关变换的直流电源和交流电源。在介绍软磁电磁元件在 电源技术中的作用时

5、, 往往举高频开关电源中的各种电磁元件为例证。同时, 在电子电源中使 用的软磁电磁元件中 , 各种变压器占主要地位 , 因此用变压器作为电子电源中软磁元件的代 表, 称它们为”电子变压器”。 2 电源技术对电子变压器的要求 电源技术对电子变压器的要求, 像所有作为商品的产品一样, 是在具体使用条件下完 成具体的功能中追求性能价格比最好。有时可能偏重价格和成本, 有时可能偏重效率和性能。 现在, 轻、 薄、 短、 小成为电子变压器的发展方向, 是强调降低成本。 从总的要求出发 , 能 够对电子变压器得出四项具体要求: 使用条件 , 完成功能 , 提高效率 , 降低成本。 2.1 使用条件 资料内

6、容仅供您学习参考，如有不当或者侵权，请联系改正或者删除。 电子变压器的使用条件 , 包括两方面内容 : 可靠性和电磁兼容性。以前只注意可靠性 , 现在由于环境保护意识增强, 必须注意电磁兼容性。 可靠性是指在具体的使用条件下, 电子变压器能正常工作到使用寿命为止。一般使用 条件中对电子变压器影响最大的是环境温度。决定电子变压器受温度影响强度的参数是软磁材 料的居里点。软磁材料居里点高, 受温度影响小 ; 软磁材料居里点低 , 对温度变化比较敏感 , 受温度影响大。例如锰锌铁氧体的居里点只有215, 比较低 , 磁通密度、磁导率和损耗都 随温度发生变化 , 除正常温度 25而外 , 还要给出 6

7、0, 80, 100时的各种参数数据。因 此, 锰锌铁氧体磁芯的工作温度一般限制在100以下, 也就是环境温度为40时, 温升必 须低于 60。钴基非晶合金的居里点为205, 也低, 使用温度也限制在100以下。 铁基非 晶合金的居里点为370, 能够在 150180以下使用。高磁导坡莫合金的居里点为460 至 480, 能够在 200250以下使用。微晶纳米晶合金的居里点为600, 取向硅钢居里 点为 730, 能够在 300400下使用。 电磁兼容性是指电子变压器既不产生对外界的电磁干扰, 又能承受外界的电磁干扰。 电磁干扰包括可听见的音频噪声和听不见的高频噪声。电子变压器产生电磁干扰的主

8、要原因是 磁芯的磁致伸缩。 磁致伸缩系数大的软磁材料, 产生的电磁干扰大。 铁基非晶合金的磁致伸缩 系数一般为最大 ( 27 30) 10 6, 必须采取减少噪声抑制干扰的措施。高磁导 Ni50 坡莫合 金的磁致伸缩系数为2510 6, 锰锌铁氧体的磁致伸缩系数为 2110 6。 以上这 3 种软磁材料 属于容易产生电磁干扰的材料, 在应用中要注意。3取向硅钢的磁致伸缩系数为( 13) 10 6, 微晶纳米晶合金的磁致伸缩系数为 ( 0.5 2) 10 6。这 2 种软磁材料属于比较容易产生 电磁干扰的材料。 6.5 硅钢的磁致伸缩系数为0.110 6, 高磁导 Ni80 坡莫合金的磁致伸缩

9、系数为 ( 0.1 0.5) 10 6, 钴基非晶合金的磁致伸缩系数为 0.110 6以下。这 3 种软磁材 料属于不太容易产生电磁干扰的材料。 由磁致伸缩产生的电磁干扰的频率一般与电子变压器的 工作频率相同。如果有低于或高于工作频率的电磁干扰, 那是由其它原因产生的。 2.2 完成功能 资料内容仅供您学习参考，如有不当或者侵权，请联系改正或者删除。 电子变压器从功能上区分主要有变压器和电感器2 种。 特殊元件完成的功能另外讨论。 变压器完成的功能有3 个: 功率传送、电压变换和绝缘隔离。电感器完成功能有2 个: 功率 传送和纹波抑制。 功率传送有 2 种方式。第一种是变压器传送方式, 即外加

10、在变压器原绕组上的交变电 压, 在磁芯中产生磁通变化 , 使副绕组感应电压 , 加在负载上 , 从而使电功率从原边传送到 副边。传送功率的大小决定于感应电压, 也就是决定于单位时间内的磁通密度变量B。B 与磁导率无关 , 而与饱和磁通密度 Bs和剩余磁通密度 Br有关。从饱和磁通密度来看 , 各种软 磁材料的 Bs从大到小的顺序为 : 铁钴合金为 2.3 2.4T, 硅钢为 1.75 2.2T, 铁基非晶合金 为 1.25 1.75T, 铁基微晶纳米晶合金为1.1 1.5T, 铁硅铝合金为 1.0 1.6T, 高磁导铁镍 坡莫合金为 0.8 1.6T, 钴基非晶合金为0.5 1.4T, 铁铝合

11、金为 0.7 1.3T, 铁镍基非晶合 金为 0.4 0.7T, 锰锌铁氧体为 0.3 0.7T。作为电子变压器的磁芯用材料, 硅钢和铁基非晶 合金占优势 , 而锰锌铁氧体处于劣势。 功率传送的第二种是电感器传送方式, 即输入给电感器绕组的电能, 使磁芯激磁 , 变 为磁能储存起来 , 然后经过去磁变成电能释放给负载。 传送功率的大小决定于电感器磁芯的储 能, 也就是决定于电感器的电感量。 电感量不直接与饱和磁通密度有关, 而与磁导率有关 , 磁 导率高 , 电感量大 , 储能多 , 传送功率大。各种软磁材料的磁导率从大到小顺序为: Ni80坡 莫合金为 ( 1.2 3) 10 6, 钴基非晶

12、合金为 ( 1 1.5) 106, 铁基微晶纳米晶合金为 ( 5 8) 10 5, 铁基非晶合金为 ( 25) 105, Ni50 坡莫合金为 ( 13) 105, 硅钢为 ( 29) 104, 锰锌铁氧体为 ( 13) 10 4。作为电感器的磁芯用材料 , Ni80 坡莫合金、 钴基非晶合金、 铁 基微晶纳米晶合金占优势, 硅钢和锰锌铁氧体处于劣势。 传送功率大小 , 还与单位时间内的传送次数有关, 即与电子变压器的工作频率有关。 工作频率越高 , 在同样尺寸的磁芯和线圈参数下, 传送的功率越大。 电压变换经过变压器原绕组和副绕组匝数比来完成, 不论功率传送大小如何 , 原边和 副边的电压变

13、换比等于原绕组和副绕组匝数比。 绝缘隔离经过变压器原绕组和副绕组的绝缘结构来完成。绝缘结构的复杂程度, 与外 加和变换的电压大小有关, 电压越高 , 绝缘结构越复杂。 资料内容仅供您学习参考，如有不当或者侵权，请联系改正或者删除。 纹波抑制经过电感器的自感电势来实现。只要经过电感器的电流发生变化, 线圈在磁 芯中产生的磁通也会发生变化, 使电感器的线圈两端出现自感电势, 其方向与外加电压方向 相反, 从而阻止电流的变化。 纹波的变化频率比基频高 , 电流纹波的电流频率比基频大, 因此, 更能被电感器产生的自感电势抑制。 电感器对纹波抑制的能力 , 决定于自感电势的大小 , 也就是电感量大小 ,

14、 与磁芯的磁 导率有关 , Ni80坡莫合金、钴基非晶合金、铁基微晶纳米晶合金磁导率大, 处于优势 , 硅 钢和锰锌铁氧体磁导率小, 处于劣势。 2.3 提高效率 提高效率是对电源和电子变压器的普遍要求。虽然, 从单个电子变压器来看 , 损耗不 大。例如, 100VA电源变压器 , 效率为 98时, 损耗只有 2W并不多。可是成十万个、成百万 个电源变压器 , 总损耗可能达到上十万W, 甚至上百万 W 。还有, 许多电源变压器一直长期运 行, 年总损耗相当可观 , 有可能达到上千万kW h。显然, 提高电子变压器的效率 , 能够节约 电力。节约电力后 , 能够少建发电站。 少建发电站后 , 能

15、够少消耗煤和石油 , 能够少排放 CO 2, SO 2, NOx, 废气, 污水, 烟尘和灰渣 , 减少对环境的污染。既具有节约能源 , 又具有保护环境 的双重社会经济效益。因此, 提高效率是对电子变压器的一个主要要求。 电子变压器的损耗包括磁芯损耗( 铁损) 和线圈损耗 ( 铜损) 。铁损只要电子变压器 投入工作 , 一直存在 , 是电子变压器损耗的主要部分。 因此, 根据铁损选择磁芯材料 , 是电子 变压器设计的主要内容 , 铁损也成为评价软磁材料的一个主要参数。铁损与电子变压器磁芯的 工作磁通密度和工作频率有关, 在介绍软磁材料的铁损时 , 必须说明是在什么工作磁通密度 下和什么工作频率

16、下的损耗。例如 , P 0.5/400, 表示在工作磁通密度0.5T 和工作频率 400Hz下的 铁损。 P0.1/100k表示在工作磁通密度0.1T 和工作频率 100kHz下的铁损。 软磁材料包括磁滞损耗、涡流损耗和剩余损耗。涡流损耗又与材料的电阻率 成反 比。 越大, 涡流损耗越小。各种软磁材料的 从大到小的顺序为 : 锰锌铁氧体为 10 8 10 9cm, 铁镍基非晶合金为 150180cm, 铁基非晶合金为 130150cm, 钴 基非晶合金为 120140c m, 高磁导坡莫合金为4080cm, 铁硅铝合金为 40 60cm, 铁铝合金为 3060cm, 硅钢为 4050cm, 铁钴合金为 20 资料内容仅供您学习参考，如有不当或者侵权，请联系改正或者删除。 40cm 。因此 , 锰锌铁氧体的 比金属软磁材料高10 6107 倍, 在高频中涡流小 , 应用 占优势。可是当工作频率超过一定值以后, 锰锌铁氧体磁性颗粒之内的绝缘体被击穿和熔化, 变得相当小 , 损耗迅速上升到很高水平 ,