引言
近年来，电源中电子变压器所用的铁心材料和导电材料价格连续上涨，上游原材料形成卖方市场。作为下游的电子变压器的电源用户，可以在全球范围内选择和采购，形成买方市场。处于中间位置的电子变压器行业，只有走技术创新之路，才能摆脱这种两头受气的困境。然而，在成熟的电子变压器行业里，技术创新比较困难。但是每一个细小环节的改进，就可以带来新的理念和新的产品。因此，本文从新材料、新结构、新原理、新产品四个方面介绍近年来电源中电子变压器的一些新进展，供读者参考，如果有什么不当之处敬请指正。
走技术创新之路，要时刻记住要达到的目的。电源中的电子变压器，象所有作为商品的产品一样进行任何技术创新，都必须在具体使用条件下完成具体功能中，追求性能价格比最好。现在的电源产品，普遍以“轻、薄、短、小”为特点向小型化和便携化发展。电子变压器必须适应作为用户的电源产品对体积和重量的要求。同时，电子变压器的原材料（铁心材料和导电材料）价格上涨。因此，如何减小体积和重量，如何降低成本，成为近年来电子变压器发展的主要方向。
1新材料
1.1硅钢
硅钢是工频电源中电子变压器大量使用的铁心材料。要减少电子变压器中的铁心用量，必须提高硅钢的工作磁通密度（工作磁密）。硅钢的工作磁密既决定于饱和磁通密度，又决定于损耗。因为效率是电子变压器的重要性能指标，现在，为了节能，许多电源产品都提出待机损耗要求。电子变压器的铁心损耗是待机损耗的主要组成部分，因此，都对电子变压器的效率或损耗提出明确的严格要求。
近年来，取向和无取向冷轧硅钢价格上涨，卷绕式环形铁心，相比于R型、CD型和EI型铁心，由于消耗材料少，可以节约20%以上的铁心材料成本，扩大了电子变压器中的使用范围。卷绕式环形铁心可以充分发挥取向冷轧硅钢的性能，与无取向冷轧钢相比，工作磁密要高得多。同时不象R型、CD型和EI型的铁心那样，可以充分利用硅钢材料，不会有边角废料，材料利用率可以达到98%以上。
近年来，冷轧取向硅钢有相当大的改进。国产23Q110的0.23mm取向冷轧硅钢，在工作磁通密度1.7T和50Hz下，单位重量损耗为1.10W/kg。日本产的0.23mm厚度的取向冷轧硅钢P1.7/50为0.88W/kg。硅钢带材表面处理后涂张力涂层，P1.7/50下降到0.7W/kg。改变退火工艺，细化磁畴，P1.7/50再下降到0.55~0.45W/kg，远远低于0.35mm厚无取向冷轧硅钢在工作磁密1.5T和50Hz下（P1.5/50）的2W/kg。在保证同样损耗条件下，0.23mm厚度取向冷轧硅钢工作磁密度可以达到1.85T，如果选取它加工环形铁心，比用无取向冷轧硅钢的工作磁密1.5T高1.23倍，铁心截面和体积可减少23%以上。
现在手机充电器和家用电器的电源适配器中，大量使用EI型铁心工频电源变压器，有时会出现过热现象。EI型铁心由EI形冲片叠成，E形冲片中有五分之一长度与纵向（取向方向）正交，要承受横向磁场，一般都用无取向冷轧硅钢。近年来日本川崎公司开发出可用于EI型铁心的RGE系列取向冷轧硅钢，厚度为0.35mm，纵向饱和磁密为1.80~1.90T，横向饱和磁密为1.825T，损耗P1.7/50为1.10~1.25W/kg。
同时，绝缘膜比较薄，冲压加工性能良好，用它制作铁心，工作磁密可取1.7T以上，比用无取向冷轧硅钢高15%，铁心截面和体积可以减少15%以上，损耗也大大下降，不会再出现过热现象。日本川崎公司还开发出饱和磁密高的无取向冷轧钢，厚度为0.5mm，硅含量小于1%，为0.6%，铝含量为0.3%，加0.52%镍后，饱和磁密为1.96T，损耗P1.5/50为3W/kg。采用它作为EI型铁心材料，工作磁密也可取1.7T，但损耗较大。
值得注意的是：作为电子变压器一大类的工频变压器，采用工作磁密高的铁心材料后，可以不减少铁心截面和体积，而是减少线圈匝数，减少用铜量。在现在铜材价格远远高于铁心材料的情况下，可能是更好的一种设计改进方案。
1.2软磁铁氧体
软磁铁氧体是中、高频电源中电子变压器大量使用的铁心材料，和金属软磁材料相比，软磁铁氧体的饱和磁密低，磁导率低，居里温度低，是它的几大弱点。尤其是居里温度低，饱和磁密Bs和单位体积功率损耗Pcv都会随温度变化。温度上升，Bs下降，Pcv开始下降，到谷点后再升高。因此在高温条件下，只要Bs保持较高水平，就可以把工作磁密Bm选得高一些，从而减少线圈匝数，降低用铜量和成本。高温高饱和磁密软磁铁氧体材料，还可以扩大电子变压器使用的温度上限到120益甚至150益。例如，汽车用电子设备中的高频电子变压器，在外界温度条件变化大和发动机室发热的高温条件下工作，就必须采用高温高饱和磁密软磁铁氧体。
作为中、高频电子变压器用的MnZn软磁铁氧体，以日本TDK公司为代表，大致经历了PC30→PC40→PC44→PC50→PC47→PC95→PC90的发展过程。在100℃、100kHz、200mT测试条件下，单位体积功率损耗不断下降。根据该公司2006年4月份公布的数据，PC30为600mW/cm3；PC40为420mW/cm3；PC44为340mW/cm3；PC47为270mW/cm3。但是100益下的饱和磁密Bs，PC30、PC40、PC44基本上都为390mT，PC47为410mT，与理论值600mT相差甚远，不能认为是高温高饱和磁密材料。
近年来，为了在电子变压器应用领域和金属软磁材料竞争，兴起一轮开发高温高饱和磁密MnZn铁氧体材料的热潮。日本FDK公司于2003年3月份开发出4H系列高温高饱和磁密材料。其中4H45和4H47在25℃下，Bs分别为520mT和530mT，100℃下分别为450mT和470mT，但在100℃下，功率损耗Pcv比较高，分别为450mW/cm3和
650mW/cm3。据称，FDK公司在实验室条件下开发出4H50材料，100℃下Bs为490mT，但是Pcv相当大，为800mW/cm3。日本TDK公司于2004年9月开发出PC90材料，在25℃下，Bs为540mT，Pcv为680mW/cm3；在100℃下，Bs为450mT，Pcv为320mW/cm3，高于4H45材料水平。TOKIN公司开发出BH3材料，在25℃下，其Bs为540mT，Pcv为600mW/cm3；而在100℃下，Bs为440mT，Pcv为370mW/cm3。NICERA公司开发出BM30材料，25℃下Bs为540mT，Pcv为720mW/cm3；在100℃下，Bs为450mT，Pcv为320mW/cm3。
日立金属公司开发出来的高铁低锌铁氧体材料，Bs在25℃下，为563mT；在100℃下为560mT，基本不变，150℃为490mT，但是在100℃、100kHz、200mT测试条件下，Pcv为1700mW/cm3，偏高，需要改进。
许多电源设备不但要求电子变压器在工作状态下，也就是在高温时损耗要小，同时还要求待机情况下，也就是在常温时损耗也要小。这些电子变压器可以采用宽温低功耗软磁铁氧体。日本TDK公司开发的PC95就是近年来出现的高水平宽温铁氧体材料。25℃时，功耗Pcv为350mW/cm3，80℃时为280mW/cm3，100℃为290mW/cm3，120℃时为350mW/cm3，在100℃时饱和磁密为410mT。
近年来，还开发出一系列高磁导率μ软磁铁氧体材料，作为电子电源设备中脉冲变压器用的，要求磁导率μ相对较高，有TDK公司的H5C3，μ为15000±30%，H5C5，μ为30000±30%。EPCOS公司的T56，μ为20000±30%。作为电磁干扰滤波用的，要求磁导率频率特性好，有TDK公司HS52，μ为5500±25%；HS72，μ为7500±25%；HS10，μ为10000±25%。HITACHI公司的MP15T，μ为15000±25%，都可以在500kHz以下工作。作为直流滤波用的，要求直流叠加特性好，有TDK公司的DN45，μ为4500±25%，使用温度0~70℃，和改进后的DNW45，μ为4200±25%，使用温度-40℃~+85℃，川崎公司的SK-202G，使用温度-40℃~+85℃，μ为4300±25%，以及高饱和磁密高磁导率材料，如TDK公司的DN50，μ为5200±20%，Bs在25℃时为550mT，100℃时为380mT，居里温度Tc≥210℃。
1.3非晶和纳米晶合金
自2005年初起，由于取向冷轧硅钢带材国内供需不平衡，取向冷轧硅钢带材料价格迅速上涨，现在已超过铁基非晶合金带材的价格。在现在这个市场价格条件下，铁基非晶合金在工频电源变压器领域中代替取向冷轧硅钢，不再只是可能的事情，已经变成了现实。在电力变压器行业，配电变压器生产厂纷纷把铁心材料从取向冷轧硅钢转向铁基非晶合金。同时，从2006年7月1日起，强制性国家标准“配电变压器的能效限定值及节能用铁基非晶合金代替取向冷轧硅钢的热潮。和配电变压器一样，工频电源变压器中铁基非晶合金代替取向冷轧硅钢，将会成为电源中电子变压器的一个主要的新进展。为什么呢？从表1中取向冷轧硅钢与铁基非晶合金技术经济指标对比就可以看出其中的原因。
表1中取向冷轧硅钢以日本生产的高磁感23R100和磁畴处理23R085为例，铁基非晶合金以国内生产的1K101和日本日立公司生产的Metglas2605SA1为例，从表1中可以看出以下特点。
（1）铁基非晶合金的饱和磁密Bs比硅钢低，但是在同样的工作磁密Bm（例如1.4T）下损耗比硅钢低。铁基非晶合金的工作磁密Bm，单相变压器取1.40~1.45T，三相变压器取1.35~1.40T。硅钢工作磁密Bm，单相变压器取1.70T，三相变压器取1.65~1.70T，同样容量的工频变压器用铁基非晶合金的重量是用硅钢的120%左右。
（2）铁基非晶合金的填充系数对国内生产的1K101为0.85，对日本日立公司生产的Metglas2605SA1为0.86-0.90，个别的已达到0.93。
如果用0.86与硅钢的0.945相比，同样重量的铁基非晶合金铁心体积为硅钢的110%左右。
（3）铁基非晶合金在1.4T和50Hz条件下的单位重量损耗为P1.4/50，只有硅钢的26.4%~43%，可以显著减少铁心发热。在同
样损耗和同样散热条件下，铁基非晶合金工频变压器可以比硅钢工频变压器降低铜损，减少铜材，在现在铜材价格高于铁材价格条件下，采取这种方案是一种降低成本的有效措施。值得注意的是，单位重量损耗P1.4/50是在畸变小于2%正弦波电压下测试的。而实际的工频电网畸变为5%。在这种畸变下的单位重量损耗P1.4/50忆，硅钢为123%P1.4/50，铁基非晶合金为106%P1.4/50，这时，铁基非晶品合金的P1.4/50忆只有硅钢的22.7%~37%。
（4）硅钢的现行价格取自2006年8月中旬广东某地钢材市场牌价，国外进口铁基非晶合金的现行价格取自日本日立公司2006年7月报价2.85美元/kg，按1美元兑换8元人民币的汇率为22.8元/kg，再加关税和增值税为28元/kg，国产铁基非晶合金现行价格为估价,与生产单位报价有一些差别。
（5）铁基非晶合金退火温度比硅钢低，时间少，消耗能量少，制造铁心的附加加工费用应当比硅钢低。
铁基非晶合金带材可以加工成卷绕环形铁心，搭接式矩型铁心和开口式C型铁心。上世纪90年代，日本曾用几层粘接的铁基非晶合金带材加工过EI型铁心，但是附加加工费用大，铁心损耗也增加，后来没有再见过有关的报道。现在，正在研究的大块非晶合金厚度可达毫米级和厘米级，如果投入生产后，有可能同硅钢一样，加工成EI型铁心。综合以上的各种因素，在环形和C型铁心的小容量工频电子变压器中，铁基非晶合金代替硅钢最有可能取得明显效果。
在400Hz~20kHz中频电子变压器中，铁基非晶合金无论是技术指标，还是经济指标都超过硅钢。上世纪90年代，美国生产的中频电子变压器就大量用铁基非晶合金代替硅钢。日本在上世纪90年代开发出6.5%的硅钢，使400Hz~20kHz损耗明显下降，同时，磁致伸缩趋近于零,可用于低噪声中频电子变压器。前两年日本又开发出加铬硅钢，使20kHz至100kHz损耗进一步下降，把硅钢的应用范围扩展到20kHz以上的中高频，同时，耐腐蚀性也好。但是从表2硅钢与铁基非晶合金中频损耗比较中看出：不论是无取向和取向冷轧3%硅钢，6.5%硅钢还是加铬硅钢，在400Hz至20kHz中频段的损耗都高于铁基非晶合金。从经济指标上看：0.10mm厚无取向冷轧3%硅钢带的价格已经和铁基非晶合金带的价格基本相当，0.10mm厚取向冷轧3%硅钢带的价格现在超过铁基非晶合金带的价格300%，0.10mm厚6.5%硅钢和加铬硅钢带的价格更高。因此中频电子变压器采用铁基非晶合金代替硅钢，比工频电子变压器更有可能取得良好的技术经济效益。由于铁基非晶合金加工的铁心只有环形和C型，中频电子变压器的设计要作相应的更改。在保证同样的工作磁密下，可以降低铁损。在保证中频电子变压器总损耗基本不变的情况下，可以提高工作磁密，减少线圈匝数，降低用铜量。具体设计可以根据对损耗和成本要求综合考虑。
铁基纳米晶合金和软磁氧体技术指标相比如见表3所列，具有饱和磁密Bs高，初始磁导率μi高，单位体积功耗Pcv低等优点，居里温度大于560益，在使用条件下，温度变化对技术指标影响小。
同时，铁基纳米晶合金铁心经浸漆固化处理后，机械性能稳定，因此，在20kHz至500kHz中高频电源电子变压器中，铁基纳米晶合金可以和软磁铁氧体在性能价格比上进行竞争。
对于铁基纳米晶合金与软磁铁氧体的价格比较，除了最近市场价格波动因素而外，还应当考虑以下几点。
（1）由于铁基纳米晶合金功耗小，因此允许工作磁密高于200mT。铁心截面和体积下降，线圈匝数减少，中高频电子变压器用铜铁量都会下降，整体成本下降。
（2）铁基纳米晶合金使用温度高，中高频电子变压器可以使用温度指标高的电磁线。可以进一步减少变压器的体积和用铜铁量。
（3）对于1kW以上的大功率中高频电子变压器，软磁铁氧体工作磁密低，铁心体积大，在现有的生产工艺条件下，制作大尺寸铁心难度大，成品率低，成本并不比铁基纳米晶合金低。
（4）对20W以下小功率中、高频电子变压器，铁心本身重量和体积不大，采用铁基纳米晶合金增加的成本占铁心总体成本的比例不大。
从市场上看，软磁铁氧体价格上涨，而国内铁基纳米晶合金已形成大规模批量生产能力，而且至少有10家生产单位可以供应环形和C型铁基纳米晶合金铁心，价格比前几年下降许多。估计今后还会缩小铁基纳米晶合金铁心和软磁铁氧体铁心的价格差距。
近年来，利用铁基非晶合金和纳米晶合金，开发了各种电源用的电感器件。
（1）用于交流滤波和共模干扰抑制电感的铁基非晶合金和纳米晶合金磁芯，初始磁导率为30000~120000，最大磁导率100000~200000，比软磁铁氧体大得多，在要求同样电感量条件下，磁芯尺寸只有软磁铁氧体铁心尺寸的1/8至1/10。例如，在同样电流100A和同样电感量下，一个φ130mm×φ90mm×30mm的铁基纳米晶合金磁芯可以代替4个φ130mm×φ70mm×50mm的软磁铁氧体磁芯。同时，还可以减少线圈匝数。电感器总体成本低于用软磁铁氧体磁芯的电感器总体成本的1/3，已用于各种大小功率开关电源中。
（2）用于直流高频载波滤波电感的无气隙宽恒导磁铁基非晶合金磁芯，电感器中主要通过直流电流，要求在一定磁场强度（例如800A/m）以内，磁导率保持不变，磁化曲线为直线。以前都是有气隙磁芯，既增加加工工序，又有较大的噪音。从上世纪90年代起，国外就开始研究宽恒导磁非晶合金磁芯，现在国内已经有批量生产环形磁芯，外径φ16~φ50mm，内径φ8~φ30mm，有效磁导率200~2000。同时高频损耗小，可以在滤除高频载波时比软磁铁氧体减少功耗和发热，已广泛用于各种直流/直流、)Tj/F交流/直流、直流/交流变换开关电源和UPS电源中，也用于汽车噪音抑制器中。
（3）用于大电流直流高频载波滤波电感的有气隙铁基非晶合金磁芯。电流超过一定数值后，无气隙磁芯磁导率就会迅速下降，因此，大电流直流高频载波滤波电感还是要采用有气隙磁芯，近年来开发出有气隙的铁基非晶合金环形磁芯和C型磁芯，有效磁导率可达几百，在较大磁场强度，例如8000A/m下磁导率保持不变，同时还可以通过改变气隙来调整电感大小。
在同样电流和同样电感量条件下，有气隙铁基非晶合金磁芯体积只有软磁铁氧铁磁芯体积的1/5以下。例如，一个φ140mm×φ80mm×35mm有气隙铁基非晶合金磁芯可代替6个φ125mm×φ75mm×20mm的软磁铁氧体磁芯，已用于各种大电流大功率开关电源和UPS电源中。
总之，软磁铁氧体作为电感器铁芯，在电源设计中已失去往日的许多市场，逐渐被铁基非晶和纳米晶合金和磁粉芯取代。
铁基非晶合金带厚只有0.02~0.04mm，要卷绕成环型铁心，需要不少加工工时，增加成本。现在正在开发的铁基大块状非晶合金可以解决这个问题。Fe-（Al，Ga）-（P，C，B，Si）非晶合金可以用铜模铸造法制成环型铁心，由于形成独特的磁结构，软磁性能比用快淬非晶合金带卷绕成的环形铁心好。也可用Fe-（Al，Ga）-（P，C，B，Si）非晶合金粉末装在模具中，通过电脉冲烧结法制成铁心，这两种方法当然都不只限于制造环形铁心，可以象软磁铁氧体一样，制成各种形状的铁心。据报道，Fe-（Al.，Ga）-（P，C，B，Si）大块状非晶合金饱和磁密Bs为1.1T，在1kHz下的有效导率μi为7000~12000，矫顽力Hc为2~6A/m，可以代替硅钢和软磁铁氧体制作电源中电子变压器的铁心。
1.4软磁复合材料（SMC）和磁粉芯
软磁复合材料（SMC）是上世纪90年代开发出来的新型软磁材料，其出发点是想把金属软磁材料的工作频率向MHz级和GHz级扩展，因??瓷、高分子材料等复合在一起，只要控制金属软磁材料的体积百分数在逾渗极限以下，就有可能保持软磁特性，又减少各种高频率损耗，成为一种新的软磁材料———软磁复合材料，取英文名称的第一个字母，简称SMC材料。
软磁复合材料中的磁性粒子可以是纯铁、镍、钴金属、铁镍合金、铁镍钼合金、铁铝合金、铁基非晶合金、铁基纳米晶合金和软磁铁氧体经过粉碎后制成的粉末。非磁性物体可以是二氧化硅等绝缘体，硅树脂、聚乙烯、环氧树脂等高分子材料作粘接剂和硬脂酸等作润滑剂。磁性粒子和非磁性物体混合后，可以经过绝缘处理、压制成形、烧结等工艺加工成磁粉芯，也可以采用现在的塑料工程技术，注塑成各种复杂形状的磁芯。软磁复合材料的优点是密度小，重量轻，生产效率高，成本低，产品一致性好。缺点是由于磁粒子之间被非磁性物体隔开，磁性阻断，磁导率现在一般都在100以内，最近报导通过纳米技术和其他措施，已开发出磁导率超过1000的软磁复合材料，最大可达6000。
磁粉芯是软磁复合材料的一大门类，现在已有铁粉芯、铁镍粉芯、铁镍钼粉芯、铁硅铝粉芯和近年来开发成功的铁基纳米晶合金粉芯等，表4是几种磁粉芯的性能比较。
从技术性能上看，铁镍钼粉芯最好，但是从价格上看最贵，因此最近开发出铁基纳米晶合金粉芯，可生产外径φ15~φ80mm，内径φ7~φ50mm，高5~25mm磁粉芯，有效磁导率为35、50、70和90。在电源中，用磁粉芯制造电感器件与软磁铁氧体相比，有以下优点：
（1）饱和磁密Bs高，可以承受更大的直流偏量；
（2）气隙均匀分布，减少局部损耗；
（3）居里温度高，在工作范围内，磁导率不变；
（4）铁镍钼粉芯和铁基纳米晶合金粉芯磁致伸缩小，工作中噪声小。
因此，现在磁粉芯在电源电感器件中已取代软磁铁氧体部分市场。
高分子软磁复合材料近年来发展迅速，在国外已用这种材料制造高频电源变压器和电感器，并建立相应的分析理论和设计程序。据作者所知，国内虽然进行了高分子软磁材料的研究开发，但是还未见到用于电源中电子变压器的报道。
1.5导电材料
从2004年初开始，铜材料价格迅速上涨，到2006年8月，已达到80.2元/kg。作为电源中的电子变压器主要材料的导电材料，出现一些新的发展趋势。其中一个主要发展趋势是“以铝代铜”。这是因为2006年8月的铝材价格为27.4元/kg，是铜材价格的34.4%，要低得多。虽然铝的电阻率为2.800μΩ路cm，为铜的电阻率1.741/μΩ路cm的162.4%，铝的电阻温度系数0.00407/℃是铜的电阻温度系数0.00399/℃的103.56%。如果暂时不考虑温度影响，在保证电源中电子变压器的线圈损耗不变，也就是线圈电阻不变的条件下，铝导线必须比铜导线增大截面积162.4%。但是，铝材比重为2.7g/cm3，是铜材比重8.89g/ccm3的30.37%。增加截面后的铝导线重量仍然只有铜导线重量的49.32%，也就是轻一半左右。假定一个电源中电子变压器铜导线用量为10kg，不考虑电磁线用绝缘漆和加工费用，单只是铜材价格将是802元。在保证同样线圈损耗条件下，铝导线用量约为5kg，不考虑电磁线用绝缘漆和加工费用，单只是铝材价格为137元，只有铜材价格的17.08%。即使考虑以铝代铜后，铁心窗口面积要增大,用铁量增加的成本，其降低电源中电子变压器的总体成本的效果也是非常明显的。
现在，国内正在开发用于电源中电子变压器的各种铝导线。一些企业已经开发出铜包铝导线，铜线在外层，占面积15%，总比重为3.63g/cm3，考虑趋表效应和邻近效应，这种铜包铝导线的电阻率比纯铝线会小不少，而成本增加不多，是一种充分发挥铜和铝效果的复合材料。
近年来另一值得注意的发展趋势，是选用温度指数高、耐热等级高的180聚酯亚胺QZY漆包线和220聚酰亚胺QYZ漆包线，导线允许的电流密度增大，导线直径减少，用铜量减少，铁心窗口面积减少,用铁量也同时减少，可以降低整体成本。特别是对要求体积小的高频小功率电源变压器，采用耐热性更好的漆包线,更能显出技术经济效益。
国外近年来开发的漆包线，如155ETFE、180FEP、200PFA漆包线，已在国内建厂生产。这几种漆包线的绝缘层都属于线型热塑性四氟乙烯共聚树脂，耐热性好，可以在从极低温至高温的大温度范围下工作，其电气性能、机械性能、耐化学溶剂性能和耐老化性能都好，可以用于特殊环境条件要求（如耐化学腐蚀、耐油、耐辐射）的中小型电源变压器中。小规格薄绝缘层PFA漆包线，国外已大量用于要求体积小的高频开关电源的电子变压器中。
