电子变压器的技术发展趋势

2012-11-08 17:30:25来源: 互联网

1 引言

  变压器自从1885年发明问世至今,已有120余年的历史。随着电子技术发展,电子变压器行业的产品结构发生了较大的变化,呈现出产品类型多样性。

  电子技术飞速发展,呈现电子设备大功率、小型化的趋势,相应对电子变压器的性能指标提出了越来越高的要求。传统的电子变压器已经远远不能满足市场发展的要求。因此各种新技术、新材料和新工艺的研究与使用,不断的给电子变压器行业注入活力,增强了电子变压器的市场潜力。

  为适应电子设备的小型化,电子变压器的一个重要发展方向是从立体结构向平面结构,片式结构,薄膜结构发展,从而形成一代又一代的新型电子变压器:R型变压器、平面变压器、片式变压器、薄膜变压器。电子变压器的整体结构的发展,形成新的磁芯结构和线图结构;采用新的材料,对技术和生产工艺带来新的发展方向。

  文章综述了R型变压器、印刷电路(PCB)型平面变压器、压电变压器、薄膜PCB平面变压器的原理、结构、性能和应用。将有助于了解电子变压器的发展方向,并引导电子变压器行业产品的发展趋势。

  2 R型变压器

  2.1 概述

  R型变压器最早是日本20世纪80年代研制成功的一种高技术、高性能、节能型新颖电子变压器。 铁芯系采用宽窄不一的优质取向冷轧硅钢带卷制成腰园形,而且截面呈圆形,不用切割即可绕制。因此,由此制造的变压器无噪声、漏磁小、空载电流小、铁损低、效率高;并且由于线圈是圆柱形,每圈的铜线长度短,所以内阻小,铜耗低,温升低,过载波动小,爆发力比环形变压器还好;另外,初、次级线圈采用阻燃PBT工程塑料制成的骨架分别绕制,从而抗电强度高,阻燃性好[1-4]。

  R型变压器的出现,当时被称为变压器的一次革命。在20世80年代末到90年代初,R型变压器传入我国,很快被我国电子行业重视。

  R型变压器是以外形结构命名的,它的截面像字母,故得名R型变压器。

  2.2 R型变压器的结构特点

  作为最新型的R型铁芯,其选用的材料是厚度为0.3mm(或更薄一些)的冷轧有取向的高导磁硅钢带料,R型铁芯是由一根经过正确计算的、在一台计算机控制的、曲线形硅钢带开料机上进行加工开料,形成两头窄中间宽的特殊的曲线形硅钢带,将这根特殊的硅钢带通过专用的R型铁芯卷绕机卷绕而成,经热处理退火、浸渍绝缘漆,一次成型。R型铁芯的外观光滑,呈椭圆形,铁芯柱的横截面近似为圆形。图1示出理论上的硅钢带展开图,图2示出曲线形硅钢带,图3示出R型铁心图。

  

  图1 理论上的硅钢带展开图

  

  图2 曲线型硅钢带

  

  图3 R型铁心图

  R型铁芯不必切割,是一个整体,铁芯柱的横截面占空系数达到99﹪。铁芯磁路中的气隙很少,空载损耗小,噪声低。线圈采用两个圆筒形分离式骨架,对称绕在两个铁芯柱上。

  2.3 R型变压器的性能

  (1)R型变压器的漏磁小

  R型变压器的铁芯没有磁隙且绕线均衡,因而漏磁小,只有E型变压器的1/10以下, C型变压器的1/5,这是由于两个线包反相平分卷线后,漏磁相反,漏磁相互抵消,从而使总漏磁减少到最小。无需设计任何防漏磁措施便能提高整机性能,改善整机结构。

  (2)R型变压器效率高

  由于铁芯无切割, 铁损很少, 加之采用高品质的材料和紧凑结构, 使铁芯与绕组之间的距离降到最小, 故效率可达到90﹪以上。

  (3)R型变压器励磁电流小

  R型变压器设计合理,因而具有铁损低、产生热量少,励磁电流小和能耗省的特点。

  (4)R型变压器频率特性好

  R型变压器在音频范围内工作中,电压波形失真度﹤0.2﹪,频率响应﹤1db; R型变压器在中频(400Hz)工作中,显示出极小的空载电流和空载损耗,其数量级甚至可以达到工作在50Hz中的量值。

  (5)R型变压器体积小,重量轻

  R型变压器是用无切割铁芯卷绕,使用取向性硅钢片,因而体积小、重量轻。比EI型变压器小30﹪,轻40﹪,薄40﹪。常用卧式结构,薄形化,适合于高密度安装。

  (6)R型变压器无噪音发热小

  由于R型变压器是用无切割铁芯卷绕,具有均匀圆形截面和连续的绕线,绕组呈圆形,平均匝长减少6﹪~10﹪,用铜量少,铜耗和发热都很低,温升不到E型变压器的1∕2。且由于没有切割,磁致伸缩应力就很容易被吸收,因而保证了应用无噪音。

  (7)R型变压器安全系数高

  由于R型变压器独特的设计,有阻燃材料制成的互相分离的初级与次级骨架,绝缘性能优良,符合安全标准。

  2.4 R型变压器使用注意事项

  2.4.1 R型变压器的冲击电流

  当变压器次级开路,初级加额定电压时的瞬间,初级电流有一个瞬时的冲击过程, 称之谓冲击电流。冲击电流持续时间很短,在通常50Hz条件下,此电流将持续1/4~1/2周期, 也就是5ms~10ms, 之后便进入稳定状态。

  在数毫秒之内的十倍于额定电流都不会使绝缘材料和绕组受损。

  R型变压器所特有的冲击电流比较大的特点,降低冲击电流有以下方法:

  (1)可以降低铁芯的磁通密度Bm,增加初级绕组匝数w,使变压器在空载合闸时降低铁芯饱和程度, 从而降低冲击电流,但其前提是牺牲了变压器的功率。

  (2)功率较大的R型变压器可采用初级阻绕在外层,次级绕组绕在内层的绕制方法,来降低冲击电流。

  2.4.2 R型变压器的保护

  变压器保护,过流保护又可分为短路保护和过载保护,熔断器只能起到短路保护作用,针对冲击的问题,变压器初级所采用的熔断器可采用延时熔断丝,或者其额定电流取到变压器额定电流的3~3.5倍即可。

  2.5 R型变压器的应用

  R型变压器的空载损耗很低,能满足目前世界各国对电器、电子产品的电源部分的日趋严格要求,特别适用于作为在几乎没有负载的情况下必要长期通电的电源变压器。

  R型变压器的噪音特别低,有良好的隔离效果,输出功率大。使用高精度绕线机制造的R型变压器在仪器或音响设备中使用有突出的表现,能改善设备中的讯噪比,隔离电网带给设备的多次谐波干扰,能使音响的损音下降,动态增加,提高音质效果。

  R型变压器有以上的优点,广泛用于工业控制,家用电器,高级音响,信号装置,办公设备,通信设备,测试仪器及医疗仪器等。

 3 印刷电路(PCB)型平面变压器

  3.1 概述

  平面变压器是一种绕组集成在多层印刷电路板上的变压器,利用先进的印刷电路制造工艺技术,将扁平的薄铜片或者若干蚀刻在绝缘薄片上的平面铜绕组在多层板上形成螺旋式线圈,适用于制作高频、高压的中、小功率平面变压器[5~7]。

  与传统变压器相比,平面变压器的多层制造过程采用机械加工,提高了绕组的一致性;绕组的几何形状及有关寄生特性限定在PCB制造公差之内,可重复性好;平面变压器的绕组是由薄铜层构成,同时整个变压器结构扁平化,降低了集肤效应的损失;平面变压器的这种设计有低直流铜阻,低的漏感和分布电容的优点,可充分满足谐振电路的要求;同时由于磁芯具有良好的磁屏蔽性,因而可较好的抑制射频干扰。

  3.2 平面变压器的结构

  平面变压器由一付方形铁氧体铁芯、铜板、PCB板组装而成,两只铁氧体磁芯用环氧树脂粘接在一起。

  平面变压器(单元)只有一匝网状次级绕组,这一匝绕组也不同于传统漆包线,而是一片铜皮,贴绕在多个同样大小的冲压铁氧体磁芯表面上。所以,平面变压器的输出电压取决于磁芯的个数,而且平面变压器的输出电流可以通过并联进行扩充,以漏足设计要求。并且平面变压器原边绕组的匝数通常也只有数匝,不仅有效降低了铜损和分布电容、电抗,而且为绕制带来了很多便利。由于磁芯是用简单的冲压件组合而成的,性流的一致性大大提高,也为大批量生产降低了成本。

  图4给出了一个平面变压器的剖面图,并且利用两层绕组间距离的不同,而获得在不同间隙下的漏感和交流阻抗值。

  

  图4 一个平面变压器的剖面图

  3.3 平面变压器的特点

  (1)电流分配均等

  典型的平面变压器副边绕组有若干个并联的线图。每个副边绕组都和同一个原边绕组相耦合。所以,副边电流产生的安匝数与原边绕组产生的安匝数相等(忽略励磁电流)。这种特性对并联整流电路特别有用。绕组电流分配均等,在并联整流电路中就不影响其它元件。

  (2)很高的电流密度

  平面变压器有很好的温升特性设计。因为这些特性,所以它能在很小的封装体积内达到很高的电流密度,最高可达到20A/mm2。

  (3)高效率密度

  因为平面变压器元件的尺寸很小, 它具有很好的温度耗散特性,所以能和有关的半导体器件和电感紧密地封装在一起,实现的电流密度达到30A/模块。

  (4)高效率

  低漏电感,使它能具有很快的开关时间,很低的交叉损耗,就能使它达到很高的效率。这种变压器副边绕组和原边绕组损耗是很小的。

  (5)低的漏电感

绕组与绕组之间的良好耦合,就能使绕组匝间的漏电感保持最小值。输出端

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关键字:电子  变压器

编辑:神话 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/mndz/2012/1108/article_17566.html
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