高頻電子變壓器及其發(fā)展方向!

一、高頻電子變壓器

什么是高頻電子變壓器?有一個(gè)準(zhǔn)確的定義，就是工作頻率高的電子變壓器，一般工作頻率高于20kHz，就是高頻。但是讀了雜志發(fā)表的幾位專(zhuān)業(yè)人士的意見(jiàn)后，把本來(lái)明確的高頻電子變壓器的概念，弄得糊涂了。如其中一位專(zhuān)業(yè)人士說(shuō)：“行業(yè)內(nèi)沒(méi)有人準(zhǔn)確下定義，也沒(méi)有人做過(guò)學(xué)術(shù)的整合，因此，至今也沒(méi)有一個(gè)準(zhǔn)確的定義”。其實(shí)，高頻電子變壓器的定義是非常明確的，只不過(guò)被雜志上所發(fā)表的一些見(jiàn)解誤導(dǎo)了。下面為了還高頻電子變壓器的本來(lái)面目，有必要弄清變壓器、電子變壓器、高頻電子變壓器的概念，以便消除那些誤解。

首先，弄清什么是變壓器?以電磁感應(yīng)原理工作的變壓器，是指在線(xiàn)圈原邊繞組加交變電壓，產(chǎn)生交變磁通，在副邊繞組感生輸出電壓，從而起到傳輸能量，變換電壓(或信號(hào))，電氣絕緣隔離的作用。

要產(chǎn)生電磁感應(yīng)，原邊繞組必須加交變電壓，不可能有直流電壓作工作電源的變壓器。那種把直流電壓作工作電源的說(shuō)法，是把直流變交流的逆變器，或者變頻電源包括在變壓器的范圍內(nèi)的一種誤解。只要有電磁感應(yīng)存在，變壓器就可以工作，而不一定要有磁芯，例如，工作頻率為MHz級(jí)的電子變壓器，就是由印刷電路板制作的空心變壓器。那種把高頻電子變壓器說(shuō)成是“用在具有變頻電路中的磁性變壓器件”的說(shuō)法，屬于既把變頻電路包括在變壓器范圍內(nèi)，又認(rèn)為變壓器一定要有磁芯的雙重誤解。

變壓器不論工作頻率高低，都是通過(guò)電磁感應(yīng)來(lái)傳輸能量的。傳輸能量的大小，與變壓器所用的材料、結(jié)構(gòu)、尺寸和工作頻率有關(guān)。如果傳輸?shù)哪芰繛槎ㄖ担ぷ黝l率高，在一定時(shí)間內(nèi)傳輸能量的次數(shù)多，每一次傳輸?shù)哪芰靠梢陨?，則變壓器用的材料少，結(jié)構(gòu)尺寸小。那種認(rèn)為變壓器傳輸能量有限，要用高頻來(lái)增加傳輸能量的說(shuō)法，是一種本末倒置的誤解。用脈寬調(diào)制(PWM)方式改變變壓器傳輸能量和電壓大小，只是一種外加控制方法，不單高頻變壓器可以用，低頻變壓器也可以用。那種認(rèn)為有PWM控制后，高頻變壓器和低頻變壓器傳輸能量方式有差異，高頻變壓器和低頻變壓器改變電壓的方式有差異的說(shuō)法，也是一種誤解。

其次，弄清什么是電子變壓器?電子變壓器是在電子電路和電子設(shè)備中使用的變壓器。如果把范圍擴(kuò)大一些，包括所有電子電路和電子設(shè)備中使用的變壓器、電感器、互感器等電磁元件。電子并不只限于功率電子(國(guó)內(nèi)更通用的術(shù)語(yǔ)是電力電子)，還包括工業(yè)電子、信息電子、無(wú)線(xiàn)電子和微電子，電子變壓器雖然區(qū)別于電力變壓器，但是并不區(qū)別于射頻信號(hào)變壓器，也不只限于“開(kāi)關(guān)功率變換器電路中的功率變壓器”。功率變壓器只是電子變壓器中的一種。如果把電子變壓器只看成功率變壓器，難免會(huì)畫(huà)地為牢。雜志專(zhuān)題特寫(xiě)中有位專(zhuān)業(yè)人士發(fā)表的有關(guān)電感器的內(nèi)容，豈不是自己否定自己?jiǎn)?所以，把電子只限于功率電子，把電子變壓器只限于功率變壓器的說(shuō)法是一種誤解。

再其次，弄清什么是高頻電子變壓器?現(xiàn)在，對(duì)電子變壓器工作頻率的高、中、低劃分有一個(gè)通行的說(shuō)法，即工作頻率50Hz或60Hz叫工頻，或者在它以下的叫低頻;60Hz至20kHz叫中頻， 400Hz是中頻，而不是工頻;20kHz以上叫高頻。為什么選20kHz為界限?因?yàn)椋?0kHz是聲頻上限，超過(guò)它就聽(tīng)不見(jiàn)可聞噪聲。所以，工作頻率超過(guò)20kHz，從20kHz起到MHz級(jí)、GHz級(jí)是高頻。那種把“應(yīng)用頻率范圍從幾十kHz到幾兆kHz的”電子變壓器的提法，有兩個(gè)誤解：一個(gè)是20kHz，不同于幾十kHz。一個(gè)是幾GHz，不是幾兆kHz。工作頻率幾GHz的開(kāi)關(guān)功率變換電路中的功率變壓器。

高頻中還可以劃分成較高頻(20kHz～ 50kHz)、中高頻(50kHz～200kHz)、高頻(200kHz～1MHz)、超高頻(1MHz以上)，但都屬于高頻，并不因?yàn)檫m用的功率不同，而對(duì)高頻有不同的理解。那種對(duì)不同功率下，高頻有不同范圍的說(shuō)法，是一種誤解。

二、高頻電子變壓器的發(fā)展方向

高頻電子變壓器的最大特點(diǎn)就是高頻化。從變壓器的工作原理來(lái)看，提高工作頻率，可以減少變壓器的體積和重量，也就是實(shí)現(xiàn)短小輕薄化，從而提高單位體積(或重量)傳輸功率，也就是高功率密度化。這些都是高頻電子變壓器本身固有的特點(diǎn)和直接帶來(lái)的結(jié)果，而不能簡(jiǎn)單地把高頻化、短小輕薄化、高功率密度化，作為高頻電子變壓器的發(fā)展方向。如果提幾個(gè)“化”的口號(hào)，就能“對(duì)電子變壓器行業(yè)有極大的指導(dǎo)意義”，豈不是太容易了嗎?應(yīng)當(dāng)從高頻化給電子變壓器帶來(lái)一系列問(wèn)題，通過(guò)解決這些問(wèn)題，從而提高性能降低成本，也就是追求最好的性能價(jià)格比為出發(fā)點(diǎn)，提出比較詳細(xì)的發(fā)展方向，才可能對(duì)行業(yè)有一定的指導(dǎo)意義。

三、整體結(jié)構(gòu)

為適應(yīng)電子設(shè)備愈來(lái)愈輕薄短小，高頻電子變壓器一個(gè)主要發(fā)展方向是從立體結(jié)構(gòu)向平面結(jié)構(gòu)、片式結(jié)構(gòu)、薄膜結(jié)構(gòu)發(fā)展，從而形成一代又一代的新的高頻電子變壓器：平面變壓器、片式變壓器、薄膜變壓器。高頻電子變壓器的整體結(jié)構(gòu)的發(fā)展，不但形成新的磁芯結(jié)構(gòu)和線(xiàn)圈結(jié)構(gòu)，采用新的材料，而且對(duì)設(shè)計(jì)方面和生產(chǎn)工藝方面也帶來(lái)新的發(fā)展方向。在設(shè)計(jì)方面，除了要研究各種新結(jié)構(gòu)的電磁場(chǎng)分布，如何達(dá)到最佳的優(yōu)化設(shè)計(jì)，還要研究多層結(jié)構(gòu)的各種問(wèn)題。在生產(chǎn)工藝方面，要研究各種新的加工方法，從而保證性能的一致性和實(shí)現(xiàn)加工工藝的機(jī)械化和自動(dòng)化等。

在MHz級(jí)高頻電子變壓器中，愈來(lái)愈多的應(yīng)用領(lǐng)域采用空心變壓器。探討空心變壓器的結(jié)構(gòu)、設(shè)計(jì)方法、制造工藝和應(yīng)用特點(diǎn)也是其研究和發(fā)展方向。另外，壓電變壓器等新工作原理的高頻電子變壓器的研究也是發(fā)展方向，經(jīng)過(guò)近十年的研究開(kāi)發(fā)，壓電變壓器已經(jīng)在一些領(lǐng)域中得到了實(shí)際應(yīng)用。采用計(jì)算機(jī)對(duì)整體結(jié)構(gòu)方案進(jìn)行優(yōu)化和具體設(shè)計(jì)，是現(xiàn)在各種電子器件的主要發(fā)展方向之一，當(dāng)然也是高頻電子變壓器的一個(gè)主要發(fā)展方向。這樣可以縮短設(shè)計(jì)時(shí)間，減少材料用量，縮短生產(chǎn)周期，降低成本。

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