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磁性材料中锰锌软磁铁氧钵磁芯到硅钢铁心到非晶
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1.7 T和50 Hz 下，单位重量损耗为1.10 Wkg。日本产的0.23 mm 厚度的取向冷轧硅钢P1.750 为0.88Wkg。硅钢带材表面处理后涂张力涂层，P1.750下降到0.7Wkg。改变退火工艺，细化磁畴，P1.750再下降到0.55~0.45Wkg，远远低于0.35mm厚无取向冷轧硅钢在工作磁密1.5T和50Hz 下（P1.550）的2Wkg。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1.5 T 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0.35 mm，纵向饱和磁密为1.80~1.90 T，横向饱和磁密为1.825T，损耗P1.750为1.10~1.25Wkg。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P1.550为3Wkg。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。
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420 mW/cm3；PC44 为340 mW/cm3；PC47为270 mW/cm3。但是100益下的饱和磁密Bs，PC30、PC40、PC44 基本上都为390 mT，PC47 为410 mT，与理论值600 mT 相差甚远，不能认为是高温高饱和磁密材料。
制作方法
铁氧体平面变压器制作方法常见的有多层印制电路板叠合式，绕组式和铜箔绕组折叠式。多层印刷电路板叠合式平面变压器采用印制板的制造工艺技术，用精密的薄铜片或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。它特别适合于制作高频。高压的中。小功率平面变压器。这种设计有低直流铜阻。低漏感和低分布电容的优点，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特性，因而可抑制射频干扰。
绕组式平面变压器的制作方法与常规变压器的绕制方式一样，较适合于制作高频。高压平面变压器。铜箔绕组折叠式平面变压器首先采用铜箔作绕组，再折叠成多层线圈，线圈采用高频丝线绕制。用这种方法适合制作低电压。大电流平面变压器，这种平面变压器的漏感很低。
3．2优点
铁氧体平面变压器与传统变压器相比具有许多优点：由于平面变压器采用了铁氧体磁芯，缩小了变压器的体积，一般高度均小于20mm,加之平面变压器结构上的优势，提高了其电气特性，使其功率密度比传统变压器的功率高度高3倍；在平面变压器中，导线实际是一些平面导体，因而电流密度大，每层绕组最大电流可达200A,次级升压可达20kV以上；功率大，单个器件功率可达0.5kW～25kW；工作效率高，可达到98％～99％；漏感低，约为初级电感的0.2％左右；工作频率适用范围宽，其频率范围为50kHz～2MHz；工作温度范围为－40℃～130℃；因有固定的及预先加工好的绕组结构，参数稳定可重复特性好；热通道距离短，温升低，散热面积大，热传导效果好；因具有高效磁芯屏蔽，从而可抑制射频干扰；绕组之间。初－次级及次－次级间具有高绝缘性，初－次级间绝缘隔离可达4kV；制作成本低；组装性能好。综合上述优点，可以认为在很大范围内铁氧体平面变压器能够替代用非晶或超微晶制作的常规变压器。
3．3应用
平面变压器可广泛应用于数码相机。数字化电视。通讯电源。笔记本电脑。汽车电子。电力设备。航空航天电源。舰载电源。雷达电源等领域。用铁氧体平面变压器制成的5W～60W功率范围的DCDC变换器，已大量应用到电信系统插卡式板上电源。为了使电信网络安全可靠，防止闪电冲击和电压浪涌，把表面贴装型平面变压器或者与电流补偿扼流圈集成在一个厚膜模块中作为通讯电源，可承受3kV～4kV高压。以因特网为中心的宽带通讯市场正在快速扩大，传输系统大量地用数字技术代替模拟技术，综合业务数字网络给用户提供了一个高带宽的语音。文字。数据和图像通讯的公用平台，在电源用户与中心交换局之间采用数字传输技术时，宽带传输平面变压器(接口变压器).隔离变压器。线路扼流圈等是必不可少的。随着家电向数字化。网络化方向发展，数字电视将开发在有线电缆电视上进行交互作用的功能，如通过4通道发送数据。电视购物等铁氧体双孔磁芯制作的平面变压器就是满足这些要求的元件。
采用低高度铁氧体磁芯制作的高频平面变压器在电信领域得到应用，显著提高了功率密度和重复性，一只200W的低高度平面变压器仅14mm高，比传统的高频产品体积小重量也轻了许多。由于其寄生电抗极小，即绕组间电容和漏电感极小，故效率高达97％，最高工作频率为2MHz,漏抗小于0.2％。
汽车电子是平面变压器的主要应用领域之一。由于汽车中特殊的电气和机械环境，要求变压器能承受高的环境温度，大的加速度和高的工作电流及高工作频率，采用E型铁氧体平面变压器正好能满足这些要求，因而在中档轿车的电子设备中得到广泛应用。汽车氙灯镇流器采用铁氧体平面变压器制成的DC/DC进行变压，将汽车电池的12V变换成100V。
PulseEngineeringInc.(普思公司)采用pulse的平面技术，多层PCB夹在磁芯之间，制作了一种30W薄型高效铁氧体平面变压器，用于安装高密度的工艺控制系统。汽车和重型设备的直流电源和分离电源。这种平面变压器底部面积小，高度只有7.4mm,工作频率为150kHz～750kHz,工作温度为－40℃～130℃。
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520 mT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490 mT，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680 mW/cm3；在100℃下，Bs 为450 mT，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540 mT，Pcv 为600 mW/cm3；而在100℃下，Bs 为440 mT，Pcv 为370 mW/cm3。NICERA公司开发出BM30 材料，25℃下Bs 为540 mT，Pcv 为720 mW/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563 mT；在100℃下为560 mT，基本不变，150℃为490 mT，但是在100℃、100 kHz、200 mT 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15 000±30%，H5C5，μ为30 000±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5 500±25%；HS72，μ为7 500±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4 200±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5 200±20%，Bs在25℃时为550 mT，100℃时为380 mT，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评估值”正式实施，更加推动了配电变压器中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Metglas 2605SA1 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Metglas 2605SA1 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P1.450，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P1.450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P1.450忆，硅钢为123%P1.450，铁基非晶合金为106%P1.450，这时，铁基非晶品合金的P1.450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20 kHz 至500 kHz 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30 000~120000，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18 至110。例如，在同样电流100A和同样电感量下，一个φ130 mm×φ90 mm×30 mm 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13，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800Am）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、) TjF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8000Am 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15 以下。例如，一个φ140 mm×φ80 mm×35 mm 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2~6Am，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，因此将金属软磁材料与其他高电阻材料，如石英、陶瓷、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。
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