高频变压器计算（高频电子变压器基础知识详解）

高频变压器的计算(高频电子变压器基础知识详解)

高频电子变压器是工作频率很高的电子变压器，一般高于20kHz。

准确的定义是高工作频率的电子变压器。一般工作频率高于20kHz，为高频。

高频变压器的定义很明确，但是被国内一些专家发表的一些观点误导了。为了还高频电子变压器本来面目，有必要澄清变压器、电子变压器、高频电子变压器的概念，以消除那些误解。

首先搞清楚什么是变压器？利用电磁感应原理工作的变压器，是指施加在线圈初级绕组上的交流电压，在次级绕组中产生交变磁通并感应出输出电压，从而起到能量传输、电压变化(或信号)和电气绝缘的作用。

要产生电磁感应，必须在初级绕组上施加交流电压，不可能有DC电压的变压器作为工作电源。以DC电压作为工作电源的说法是对DC转交流逆变器或变频电源包含在变压器范围内的误解。

只要有电磁感应，变压器就能工作，不一定要有磁芯。比如工作频率为MHz的电子变压器，就是印刷电路板制作的空磁芯变压器。高频电子变压器是“有变频的电路中使用的磁变压器”这种说法，属于把变频电路纳入变压器范围和变压器必须有磁芯的双重误解。

变压器的工作频率无论高低，都是通过电磁感应来传递能量的。传输的能量与变压器的材质、结构、尺寸、工作频率有关。如果传输的能量为定值，工作频率高，一定时间内传输能量的次数多，每次传输的能量可以小，那么变压器使用的材料少，结构尺寸小。变压器传输能量有限，要用高频来增加传输能量，这是一种误解。利用脉宽调制(PWM)来改变变压器的传输能量和电压只是一种外部控制方法，不仅可以用于高频变压器，也可以用于低频变压器。高频变压器和低频变压器经过PWM控制后，能量传递和电压变化的方式存在差异，这也是一种误解。

其次，搞清楚什么是电子变压器？电子变压器是用于电子电路和电子设备的变压器。如果把范围扩大到包括电子电路和电子设备中使用的变压器、电感、变压器等所有电磁元件。电子不仅限于电力电子(国内比较通用的说法是电力电子)，还包括工业电子、信息电子、无线电子、微电子。虽然电子变压器不同于电源变压器，但它们与射频信号变压器没有区别，也不局限于“开关电源转换器电路中的电源变压器”。电力变压器只是电子变压器的一种。如果只把电子变压器当做成功的变压器，必然会被拉得很牢。所以把电子限定为电力电子，把电子变压器限定为电力变压器，是一种误解。

还是那句话，搞清楚什么是高频电子变压器？现在有一种普遍的说法，电子变压器的工作频率分高、中、低，即50Hz或60Hz的工作频率称为工频，低于此频率的称为低频；60Hz到20kHz叫中频，400Hz是中频，不是工频；20kHz以上称为高频。为什么选择20kHz作为极限？因为20kHz是音频的上限，超过这个上限就听不到可闻的噪音了。所以工作频率超过20kHz，从20kHz到MHz、GHz都是高频。关于“应用频率在几十kHz到几十kHz的电子式互感器”的想法有两个误区:一个是20kHz，和几十kHz不一样。一个是几GHz，不是几兆kHz(注:请遵循标准前缀，不要自己造)。

中高频又可分为高频(20kHz~50kHz)、中高频(50kHz~200kHz)、高频(200kHz~1MHz)和超高频(1MHz以上)，但都属于高频，并没有因为适用功率不同而对高频有不同的理解。认为不同功率下有不同的高频范围是一种误解。

整体结构

为了适应日益轻薄短小的电子设备，高频电子变压器的主要发展方向之一是从三维结构向平面结构、芯片结构、薄膜结构发展，从而形成一代又一代的新型高频电子变压器:平面变压器、芯片变压器、薄膜变压器。高频电子变压器整体结构的发展，不仅形成了新的磁芯结构和线圈结构，而且采用了新的材料，这也带来了设计和生产技术新的发展方向。在设计方面，除了要研究各种新型结构的电磁场分布，如何达到最佳优化设计外，还要研究多层结构的各种问题。在生产工艺上，要研究各种新的加工方法，保证性能的一致性，实现加工工艺的机械化和自动化。

在MHz级高频电子变压器中，空磁芯变压器的应用越来越多。探讨空铁心变压器的结构、设计方法、制造工艺和应用特点也是研发方向。此外，压电变压器等新工作原理的高频电子变压器的研究也是发展方向。经过近十年的研究和发展，压电变压器已经在一些领域得到应用。

利用计算机优化设计整体结构方案是各种电子器件的主要发展方向之一，当然也是高频电子变压器的一个主要发展方向。这样可以缩短设计时间，减少材料消耗，缩短生产周期，降低成本。

磁芯的材料和结构

磁芯是高频电子变压器中最关键的部件，它由软磁材料制成，根据电磁感应原理工作。磁芯材料的主要发展方向是降低损耗、拓宽温度范围和降低成本。磁芯结构的主要发展方向是如何形成最佳形状和尺寸(电磁性能、散热、用量、成本等参数)的平面磁芯、片式磁芯和薄膜磁芯。

现在各种软磁材料都在不断改进和发展，争夺高频电子变压器的市场。

软磁铁氧体是目前高频电子变压器使用的主要磁芯材料，发展方向是开发性能更好的新品种和新工艺以降低成本。在新材料方面，日本TDK公司于2003年开发了宽温低损耗材料PC95，在25℃ ~ 120℃的温度范围内，其损耗小于350 MW/cm3(100 khz×200 mt)。80℃时最小损耗为280mW/cm3。在25℃时，Bs为540mT，在100℃时，Bs为420mT。PE33是一种高温高饱和磁密材料，居里点Tc>290℃，100℃时的Bs为450mT。在100℃，100kHz×200mT条件下，Pc≤1100mW/cm3。日本FDK公司、德国EPCOS公司和Ferrocube公司也开发了类似的高温高饱和磁密材料。

高磁导率材料也有很多新品种，如TDK公司脉冲变压器用的H5C5，μi在3万左右。抗电磁干扰电感HS10具有良好的频率特性和阻抗特性，在500kHz时仍具有较高的磁导率，虽然初始磁导率不高，只有10000左右。高导磁率高饱和磁密度材料DN50，25℃时Bs为550mT，100℃时Bs为380mT，μi约为5200，居里温度Tc≥210℃。

在新技术方面，自蔓延高温合成(SHS)是近年来的研究热点。它的原理是利用反应物内部的化学能来合成材料。整个过程极其简单，能耗低，生产效率高，产品纯度高，对环境无污染。已经成功地合成了Mg、MgZn、MnZn和NiZn铁氧体，并且正在工业化。等离子烧结(SPS)法可以成功制备多层MnZn铁氧体和坡莫合金复合软磁磁芯，兼具MnZn铁氧体的高频低损耗和坡莫合金的高磁导率和高饱和磁密度的特点。这种复合软磁磁芯将明显改善高频电子变压器的性能。其他工艺，如自燃合成、快速燃烧合成、水热合成、新型水热合成、机械合金化、微波烧结等。，近年来被广泛研究，都符合提高性能、降低成本的发展方向。

软磁铁氧体由于饱和磁密度较低，在20 kHz ~ 100kHz的高频范围内，性价比优势不如100kHz以上的高频范围明显。其他软磁材料在20 kHz ~ 100 kHz的高频范围内与软磁铁氧体竞争激烈。各种软磁材料各有特点。因此，如何在具体的高频电子变压器产品中充分发挥各种软磁材料的优势，达到更好的性价比，是高频电子变压器用软磁材料的发展方向。

硅钢的特点是饱和磁密度高，性能稳定，价格低廉。近年来开发了一系列高频硅钢，包括超薄带钢硅钢、6.5%硅钢、梯度硅钢和含铬硅钢。特别是含铬硅钢已用于25kHz和70kHz的电子变压器。现在硅钢的工作频率已经达到了325kHz。

高导磁率坡莫合金的特点是磁导率高，环境适应性好，但价格高。近年来开发出坡莫合金超薄带，其工作频率已超过1MHz，因此用于有特殊要求的场所和军事装备中。钴基非晶合金是现有的高频损耗最低的软磁材料之一，价格昂贵。但由于磁芯重量小，价格因素不引人注目，广泛应用于200kHz、1MHz的高频电子变压器中。

软磁复合材料已成为高频电子变压器磁芯材料的一个主要发展方向。与传统软磁铁氧体和软磁合金相比，其磁性金属颗粒或薄膜可以分布在非导体等材料中，显著降低了高频损耗，提高了工作频率。同时，其加工技术不仅可以热压加工成粉芯，还可以利用目前的塑料工程技术注射成复杂的磁芯。它具有密度低、重量轻、生产效率高、成本低、产品重复性和一致性好等特点。你也可以用不同的比例来改变磁性。上面已经介绍了由软磁铁氧体和坡莫合金组成的复合材料的例子。现在已经研制出工作频率在10kHz以上的软磁复合粉芯，可以在高频滤波电感中替代软磁铁氧体。

根据高频电子变压器整体结构的发展要求，磁芯结构的发展方向是平面磁芯、片式磁芯和薄膜磁芯。以前有些平面磁芯是由原来的软磁铁氧体磁芯改造而成，现在有各种专门用于平面变压器的低高度软磁铁氧体磁芯。未来可能会开发出各种低高度软磁复合磁芯。变压器的片式磁芯除了进一步压缩平面磁芯外，还有共烧制造的片式磁芯。薄膜磁芯和磁性材料是高频电子变压器最活跃的发展方向之一，将成为MHz以上高频电子变压器的主要磁芯材料和结构。可以让薄膜电子变压器的高度小于1mm，可以装入各种卡。中国已经建立了几个中心来大力进行研究。现在希望能联合材料开发、电子变压器制造、应用单位，尽快把我国研制的薄膜软磁材料变成电子信息产品中的高频电子变压器磁芯，形成我国自主知识产权的薄膜变压器。作者正在努力推动这项工作。

图2

线圈材料和结构

随着高频电子变压器整体结构的发展，线圈结构的主要发展方向是平面线圈、片式线圈和薄膜线圈，包括多层结构。在选择各种线圈结构的材料方面有一些新的发展。

对于三维高频变压器线圈，使用多股绞合线(里兹线)作为导体材料，考虑到集肤效应和邻近效应，有时也使用扁平铜线和铜带。绝缘采用耐热性高的材料，以提高允许温升，减小线圈体积。双层和三层绝缘线可以减小线圈尺寸。比如，最近国内开发出了纳米技术在铜线上包覆云母的C级绝缘电磁线，应用在工频电机和变压器上，取得了很好的效果。估计也会应用在高频电子变压器上。

平面线圈，导体是铜箔的，大部分是单层和多层的印刷电路板，也有一部分是有一定图案的铜箔，很多是折叠的。一般保温材料都是B级材料。

薄膜线圈，导体采用铜、银、金薄膜，做成梳状、螺旋状、运动场等图案，绝缘材料采用H级、C级材料。还有多层结构，或者几个多层线圈组合，或者几个线圈和几个磁芯交叉重叠。总之，薄膜变压器是一种正在大力发展的高频电子变压器。很多结构并不固定，也许会出现很多新的线圈结构。

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