電源設(shè)計指南——變壓器的要求和技術(shù)參數(shù)解析

　　1 前言

　　電源中一般都含有軟磁鐵心組成的電磁器件。按照比較廣義的說法，在電子設(shè)備和電子電路中的電磁器件，都叫做電子變壓器。電源中變壓器或電磁器件，絕大多數(shù)屬于電子變壓器。但是，有的電源中，變壓器還具有耐高壓的絕緣要求。例如：大容量直流電源和大容量不間斷電源，整流變壓器不從一般的380V或220V輸入，而從10KV或6.3KV輸入，與一般電子變壓器有很大差別，而與電力變壓器更相似一些。所以，本文討論的電源中的變壓器，既包括電子變壓器，又涉及電力變壓器。

　　本文討論電源中變壓器的要求和技術(shù)參數(shù)，以及它們與鐵心材料和導(dǎo)電材料之間的關(guān)系，是為了更深入理解另外兩篇文章“變壓器鐵心材料的近期動向”和“變壓器導(dǎo)電材料的近期動向”中所介紹的內(nèi)容，從而使三篇文章形成有機(jī)的整體。編寫這三篇文章的目的是希望通過了解鐵心材料和導(dǎo)電材料的近期動向，更好的把握電源中變壓器的發(fā)展趨勢，供電源行業(yè)、電子變壓器行業(yè)、電力變壓器行業(yè)的朋友們參考。如有錯誤之處，敬請指正。

　　2 一般要求

　　電源中的變壓器，作為一種商品的產(chǎn)品，總的要求是在具體使用條件下完成具體的功能中，追求性能價格比最高。從總要求出發(fā)，提出四點一般要求：使用條件、完成功能、提高效率、降低成本。既包括技術(shù)性能，又包括經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。

　　2.1使用條件

　　電源中的變壓器的使用條件，包括使用可靠性和使用電磁兼容性。

　　使用可靠性是指在具體的使用條件下，變壓器能正常工作到使用壽命為止。使用條件中對變壓器影響最大的是環(huán)境溫度。決定鐵心材料受溫度影響強度的是居里點。鐵心材料居里點高，受溫度影響小，鐵心材料居里點低，受溫度影響大。MnZn軟磁鐵氧體居里點一般只有215℃，比較低，磁通密度、磁導(dǎo)率和損耗都隨溫度發(fā)生變化。除正常溫度25℃而外，還要給出60℃、80℃、100℃時的各種參數(shù)數(shù)據(jù)，MnZn鐵氧體制成的鐵心，一般工作溫度限制在100℃以下，也就是在環(huán)境溫度40℃時，溫升只允許低于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。鐵基納米晶合金的居里點為600℃，硅鋼的居里點為730℃，可以在300℃以下使用。

　　決定導(dǎo)電材料工作溫度的不是銅導(dǎo)線，而是外包絕緣材料的耐熱等級。例如QZ聚酯漆包線，耐熱等級為B級，最高溫度為130℃。QY聚酰亞胺漆包線，耐熱等級為C級，最高工作溫度為220℃。

　　使用電磁兼容性是指變壓器既不產(chǎn)生對外界的電磁*，又能承受外界的電磁*。電磁*包括可聽見的音頻嗓聲和聽不見的高頻噪聲。變壓器產(chǎn)生電磁*的主要原因是鐵心的磁致伸縮，磁致伸縮系數(shù)大的鐵心材料，產(chǎn)生的電磁*大。鐵基非晶合金的磁致伸縮系數(shù)為（27—30）×10-6，最大，用它制作鐵心時必須采取減少噪聲抑制*的措施，MnZn軟磁鐵氧體的磁致伸縮系數(shù)為21×10-6左右，也容易產(chǎn)生電磁*。3%取向冷軋硅鋼磁致伸縮系數(shù) 為（1-3）×10-6.，鐵基納米晶合金磁致伸縮系數(shù)為（0.5-2） ×10-6，比較容易產(chǎn)生電磁*。6.5%無取向硅鋼和鈷基非晶合金的磁致伸縮系數(shù)為0.1×10-6左右，不容易產(chǎn)生電磁*。由鐵心材料產(chǎn)生的電磁*的頻率一般與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*，那是由其他原因產(chǎn)生的。導(dǎo)電材料不產(chǎn)生電磁*。由導(dǎo)電材料繞制的線圈有可能產(chǎn)生電磁*，不是由導(dǎo)電材料造成的，而是由導(dǎo)電材料之間的作用和線圈結(jié)構(gòu)造成的。

　　2.2完成功能

　　電源中的電磁器件從功能上區(qū)分主要有變壓器和電感器兩種。變壓器完成的功能有三個：功率傳送、電壓變換和絕緣隔離。電感器完成功能有兩個：功率傳送和紋波抑制，這里不單討論電源中變壓器的完成功能，也討論電源中電感器的完成功能。

　　變壓器的功率傳送是這樣完成的：外加在變壓器初級繞組上的交變電壓，在鐵心中產(chǎn)生磁通變化，使次級繞組感應(yīng)電壓，輸出給負(fù)載，從而使電功率從變壓器初級傳送給次級。傳送功率的大小，決定于感應(yīng)電壓，也就是決定于單位時間內(nèi)磁通密度變化量△B?！鰾與磁導(dǎo)率無關(guān)，而與飽和磁通密度Bs和剩余磁通密度Br有關(guān)。硅鋼飽和磁通密度為1.5—2.03T，鐵基非晶合金飽和磁通密度為1.58T 左右，鐵基納米晶合金飽和磁通密度為1.2—1.45T，鈷基非晶合金飽和磁通密度為0.5—0.8T。MnZn軟磁鐵氧體飽和磁通密度為0.3— 0.5T。作為變壓器用鐵心材料，硅鋼占優(yōu)勢，鐵基非晶合金其次，MnZn軟磁鐵氧體處于劣勢。

　　電感器的功率傳送是這樣完成的：輸入給電感器繞組的電能，使鐵心激磁，變?yōu)榇拍軆Υ嫫饋?，然后通過去磁變成電能，釋放給負(fù)載。傳送功率的大小，決定于鐵心的儲能，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(guān)，而與磁導(dǎo)率有關(guān)。磁導(dǎo)率高，電感量大，傳送能量多，傳送功率大。鈷基非晶合金磁導(dǎo)率為（1—1.5）×106，鐵基納米晶合金導(dǎo)磁率為（5—8）×105，鐵基非晶合金磁導(dǎo)率為（2—4）×105，硅鋼磁導(dǎo)率（2— 9）×104，MnZn軟磁鐵氧體磁導(dǎo)率為（1—3）×104。作為電感器用鐵心材料，鈷基非晶合金和鐵基納米晶合金占優(yōu)勢，硅鋼和MnZn軟磁鐵氧體處于劣勢。

　　傳送功率大小，還與單位時間內(nèi)的傳送次數(shù)有關(guān)，即與變壓器和電感器的工作頻率有關(guān)。工作頻率越高，在同樣尺寸的鐵心和同樣匝數(shù)的線圈條件下，傳送功率越大。

　　電壓變換通過變壓器初級和次級線組的匝數(shù)比來完成。不管變壓器功率傳送大小如何，初級和次級繞組的匝數(shù)比就等于輸入和輸出的電壓變換比。

　　絕緣隔離，通過變壓器初級和次級繞組的絕緣結(jié)構(gòu)來完成。外加電壓和變換電壓越高，絕緣結(jié)構(gòu)越復(fù)雜。一般電子變壓器外加電壓小于1kV，絕緣結(jié)構(gòu)比較簡單。電力變壓器外加電壓超過6kV，絕緣結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，除了承受工頻試驗電壓而外，還要求承受短時沖擊試驗電壓。

　　電感器的紋波抑制通過自感電勢來實現(xiàn)。只要流過電感器的電流發(fā)生變化，線圈在鐵心中產(chǎn)生的磁通也會隨著發(fā)生變化，使電感器線圈兩端出現(xiàn)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。紋波的變化頻率比工作頻率（基本頻率）高，因此更能被電感器產(chǎn)生的自感電勢抑制。紋波抑制能力決定于自感電勢的大小，也就是決定于電感量大小。電感量與鐵心材料的磁導(dǎo)率有關(guān)，從電感器抑制紋波能力來看，磁導(dǎo)率大的鈷基非晶合金和鐵基納米晶合金作為鐵心材料比較好，磁導(dǎo)率小的硅鋼和MnZn軟磁鐵氧體作為鐵心材料比較差。

　　2.3提高效率

　　提高效率是對電源中變壓器的一個重要要求，一個原因是由于石油、煤等能源價格上漲，節(jié)能成為當(dāng)代的一個重要任務(wù)。許多電子設(shè)備，包括電源在內(nèi)，不單要求考核負(fù)載時的能耗，還要求考核待機(jī)（接近空載）時的能耗。電源中變壓器的損耗是電源待機(jī)能耗中的主要部份。另一個原因是電源中變壓器數(shù)量巨大，雖然從單個電源中變壓器來看，損耗只有幾瓦，并不多。但是成十萬個，成百萬個電源中變壓器，總損耗可達(dá)到幾十萬瓦，幾百萬瓦，相當(dāng)可觀。還有，許多電源中變壓器一直長期運行，年總損耗決不是一個小數(shù)目。因此，電源中變壓器必須提高效率，降低損耗成為一個重要要求。

　　電源中變壓器損耗包括鐵心損耗和線圈損耗。鐵心損耗只要電源中變壓器投入運行，一直存在，是變壓器空載損耗的主要部分。在設(shè)計和制作變壓器鐵心時，要選擇損耗比較低的鐵心材料。鐵心材料損耗與變壓器鐵心的工作磁通密度和工作頻率有關(guān)，因此，鐵心材料的損耗必須注明。例如：P1.4/50是工作磁通密度 1.4T和工作頻率50HZ下的損耗。P1.0/400是工作磁通密度1.0T和工作頻率400HZ下的損耗。P0.25/100K是工作磁通密度 0.25T（250mT）和工作頻率100kHZ下的損耗。

　　鐵心材料損耗包括磁滯損耗、渦流損耗和剩余損耗，渦流損耗與鐵心材料電阻率有關(guān)。電阻率越大，渦流損耗越小。MnZn軟磁鐵氧體電阻率為108— 109μΩcm，在高頻中渦流損耗小，在電源中的高頻變壓器中應(yīng)用占優(yōu)勢，鐵基非晶合金電阻率為130——150μΩcm，硅鋼電阻率為20— 40μΩcm，比MnZn軟磁鐵氧體小106—107倍，在高頻中渦流大。如果要在電源中的高頻變壓器中應(yīng)用，必須采取措施，例如減少金屬鐵心材料的厚度，現(xiàn)在各種工作頻率的變壓器使用的金屬鐵心材料的帶材厚度一般是：工頻50HZ—60HZ用0.50—0.23mm（500—230μm），中頻 400HZ至1kHZ用0.20—0.08mm（200—80μm），1kHZ至20kHZ用0.10-0.025mm（100-25μm），中高頻 20kHZ至100kHZ用0.05-0.015mm（50-15μm），高頻100kHZ至1MHZ用 0.02-0.005mm（20-5μm），1MHZ以上用小于5μm。鐵基非晶合金由于噴帶設(shè)備原因，帶厚一般為40—25μm，在工頻50HZ至中頻 400HZ—20kHZ時都可使用。用于中高頻和高頻的鐵基納米晶合金，帶厚一般都小于18μm。以前人有認(rèn)為：鐵心的填充系數(shù)與金屬鐵心材料的帶厚有關(guān)，并且提出一個計算的經(jīng)驗公式，把鐵心材料的帶厚作為決定鐵心填充系數(shù)的唯一因數(shù)?，F(xiàn)在看來，這個計算鐵心填充系數(shù)的經(jīng)驗公式并不完全成立。因為，鐵心填充系數(shù)并不只由鐵心材料帶厚一個因數(shù)決定，還受涂層厚度、帶材平整度和帶材均勻度等其他因數(shù)影響。按照經(jīng)驗公式計算，鐵基非晶合金帶厚25μm時，填充系數(shù)達(dá)不到0.80，而現(xiàn)在用25μm厚鐵基非晶合金帶材加工成的變壓器鐵心，填充系數(shù)一般都大于0.86，甚至還達(dá)到0.90。

　　電源中變壓器線圈損耗是負(fù)載損耗的主要部份。線圈損耗決定于導(dǎo)電材料的電阻率?，F(xiàn)在電源中變壓器的導(dǎo)電材料絕大多數(shù)采用銅。而不用鋁，原因就是銅的電阻率小，造成的線圈損耗小，在有些體積小的高頻平面變壓器和薄膜變壓器中，導(dǎo)電材料還采用電阻率更小的金和銀。這是因為變壓器的體積小，散熱面積小，要求線圈損耗更小，才能保證平面變壓器和薄膜變壓器的線圈溫升不會超過規(guī)定的允許值。

　　2.4降低成本

　　降低成本是電源變壓器作為商品的一個重要要求，有時甚至是決定性的要求。因為在商品競爭中性能價格比是產(chǎn)品的主要指標(biāo)。不注意降低成本，不注意降低價格，往往會在商品競爭中被淘汰。

　　電源中變壓器成本包括材料成本、制造成本和管理成本。材料成本在總成本中一般占有40%至60%，是最重要的部份。材料成本中鐵心材料和導(dǎo)電材料成本又占 80%左右。因此鐵心材料和導(dǎo)電材料的市場動向，價格變化情況對電源中變壓器成本具有重大影響。降低材料成本，還與設(shè)計有關(guān)。在設(shè)計電源中變壓器時，應(yīng)當(dāng)根據(jù)鐵心材料和導(dǎo)電材料的價格，調(diào)整變壓器的用鐵心材料量與用導(dǎo)電材料量的比值（銅鐵比），使材料成本在現(xiàn)有條件下達(dá)到最低。現(xiàn)在采用計算機(jī)設(shè)計電源中變壓器時，追求成本最低，應(yīng)當(dāng)成為一個主要限制條件。

　　制造成本也與設(shè)計和工藝有關(guān)。設(shè)計電源中變壓器時，不單要考慮鐵心材料和導(dǎo)電材料的價格和用量，還要考慮鐵心和線圈的結(jié)構(gòu)以及變壓器總體結(jié)構(gòu)是否便于加工和裝配？需用多少人工工時？需要多少設(shè)備和工模具？需要什么檢測設(shè)備和儀器來控制質(zhì)量？這些都是變壓器設(shè)計者應(yīng)當(dāng)考慮的。

　　管理成本決定于人力和財力的利用是否充分。充分利用人力，是指提高工時利用率，減少管理人員和工人的比例等。充分利用財力，是指縮短生產(chǎn)周期，減少庫存，加快資金流轉(zhuǎn)等。這些主要由經(jīng)營管理人員負(fù)責(zé)。但是與變壓器設(shè)計者也有關(guān)系。如果設(shè)計的變壓器便于加工和裝配，可以縮短生產(chǎn)周期。所用的原材料和配件便于采購，可以減少庫存。這些都有利于降低管理成本。

　　所以，一個好的電源中變壓器設(shè)計者，除了了解變壓器理論和設(shè)計方法而外，還要了解鐵心材料、導(dǎo)電材料、絕緣材料、結(jié)構(gòu)材料的價格和市場動向，還要了解鐵心、線圈和變壓器總體加工和裝配工藝，還要了解實現(xiàn)質(zhì)量控制的檢測參數(shù)和儀器設(shè)備，還要了解生產(chǎn)管理知識和變壓器市場動向等等。只有知識全面的變壓器設(shè)計者，才能設(shè)計出性能好，價格合式的變壓器產(chǎn)品。