[科普中国]-块状非晶合金平面变压器

背景

1913年前人类发明了第一台单相变压器，由于电能输送的最好形式是采用变压器，所以变压器发明后不久就获得了广泛的应用，今天已广泛应用在各行业中，100多年来变压器制造业不仅在应用上而且从设计上都取得了重大发展。随着电子技术的不断发展，有源器件的进步，我们使用的产品，无论从体积上还是重量上和以前相比都大大的减小，使得磁芯电子元器件变得轻、薄、小。那么，生产变压器的工艺也要发生变化，它也向高频率、低能耗、质量轻、小体积的方向发展，作为电子核心部件的变压器将是这场变革的首当其冲元件，因而推广应用具有高饱和磁感、高初始磁导率和高频损耗低的铁基块状非晶合金变压器将大大促进电子产品的小型化，满足电子行业的发展需要。在电子信息领域，大量的高频开关电源因高频逆变技术的成熟取代传统的大功率线性电源，对变压器的要求也随着开关电源的工作频率变高、效率的提高、体积的变小而变高。这样对硅钢变压器是极大地挑战，铁氧体变压器虽然能满足在高频状态下损耗低的要求，但因功率过大还是有很多亟待解决的问题：

①饱和磁感应强度不高，变压器的体积受到限制；

②因居里温度低而不能具有良好的热稳定性；

③对于大尺寸铁芯，生产成本高，成品率低。

铁基块状非晶合金铁芯变压器能够既有高饱和磁感又使高频损耗减低，还有很好的热稳定性，是实现大功率开关电源的最佳选择。因此，在开关电源中铁基块状非晶合金变压器在此大有用武之地。在家用产品中，随着变频技术的发展，低损耗，小体积和轻重量的电器正在大量普及，在变频家电绿色化方面发挥越来越重要的作用。总之，铁基块状非晶合金铁芯变压器不仅性能优异，而且生产工艺简单、成本低，已成为一项性价比优异的基础元件。可以预见，铁基块状非晶合金变压器对我国工业的发展和科技进步将发挥重要的作用，带来显著的社会效益1。

平面变压器优缺点平面变压器有如下主要优点：

1）低造型。

由于平面变压器的高度比长宽要小得多，大大缩短了导热距离，因此，平面变压器的散热性能优异，在和电路板及一些相关的电子元器件组装时可以变得更紧紧凑，减小了电器设备的体积，增大了电器设备的能量密度，而且平面变压器的低高度使平面变压器表面贴装的方式成为可能。

2）低损耗性。

平面变压器的结构是：铜箔和电路板紧密结合。使用非常小间隙的匝数层，极大地减小了相邻层之间的能量损失。传统变压器采用的圆截面导线会引起趋肤效应的产生，平面变压器采用敷铜做线圈，形成一个真正的平面线，可以有效减少趋肤效应，很好地防止了绕组的交流电阻过大而增加的变压器铜耗。平面导线的敷铜很薄，即使电流流向敷铜薄膜的边缘，所产生的趋肤效应也小于 2 倍的趋肤深度，整个敷铜线都会流过电流而提高整体效率。

3）低漏感。

变压器绕组之间的耦合程度，还可以减少漏感，但不得不面对绕组之间绝缘的问题。由于平面变压器是由多层平面导线薄膜组成，用初级绕组和次级组被交替堆叠来加强绕组耦合，这样减少了电磁干扰，变压器的漏感也降低了。

4）高频特性好。

平面变压器技术不会像传统的变压器那样在高频率的工作环境中出现较大的开关损耗，变压器也不会过热，因此，平面变压器的工作频率可以高达 2MHz 或更高。

5）适合规模生产。

采用印刷电路板结构的平面变压器比较传统的变压器，在设计定型后，更易于生产、加工、制作，有利于实现机械加工和大批量生产，有利于改善变压器绕组的一致性，平面变压器绕组如果采用 PCB 制作技术，可实现特性重现使它的几何形状和寄生特性限定在 PCB 制造公差之内。

目前，平面变压器有如下主要缺点：

1）首先，目前平面变压器磁芯材料主要以硅钢，软磁铁氧体及软磁复合材料为主， 硅钢尽管磁导率高但电阻率低，软磁铁氧体电阻率高但磁导率低，软磁复合材料可以减少高频涡流损耗，提高应用频率但同样面临磁导率低的问题，而性能优异的非晶软磁材料多以快淬非晶条带为前驱体，经适当晶化处理而得，但由于条带绕制的磁芯存在气隙较大和较大的退火脆性等缺陷，限制了它在平面变压器上的应用。

2）其次，平面变压器一次绕组与二次绕组之间的较小距离使平面变压器具有较小的漏感和较大的一次绕组与二次绕组之间的分布电容。

3）第三，平面变压器的窗口利用率低，仅为 0.25-0.3，比 0.4 的传统窗口利用率低，因为，平面变压器绕组的重现化特征是用增大窗口中绝缘材料的比例换来的。

4）第四，由于平面变压器设计涉及到的参数较多，一直无法像其它电子元器件那样有现成变压器可供选用。

5）最后，平面变压器需要用特殊的铁芯和敷铜薄膜，不同的铁芯需要不同的磁芯模具，而且在大电流时制作较厚的敷铜薄膜层比较困难，因此，阻碍了平面变压器的发展。

有鉴于此，研究块状非晶平面变压器，采用混合热与工艺试验相结合的方法，开展块状非晶合金体系磁芯的研究；根据电场能与磁场能理论，研究平面变压器的漏感，分布电容，绝缘材料厚度，铜填充系数与窗口利用率；采用面积乘积法来确定铁芯窗口大小；采用交叉换位设计绕组绕制方式。并探讨用模块化设计解决平面变压器绕组的重现化特征是用增大窗口中绝缘材料的比例与降低窗口填充率的问题，同时解决平面变压器功率小和在电流较大时需制作较厚敷铜层的问题。为变压器制造业开辟一个新的加工方法，为设计和优化各种高性能平面变压器提供坚实可靠的理论和技术基础1。

平面变压器特点（1）电流分配

典型的平面变压器通常是由单匝（或几匝）原边绕组和单匝（或几匝）的副边绕组耦合组成，二次绕组都和一个一次绕组相耦合，因此绕组电流分配均。

（2）高效率

平面变压器功耗小，能使它达到很高的效率。

（3）高功率密度

因为平面变压器的尺寸很小，它具有极好的温度耗散特性，所以能和有关的半导体器件和电感紧密地封装在一起，实现高功率密度。

（4）低成本

整个变压器是由少量有关的廉价元件组成，加上组装又很方便，所以变压器的成本较低。

（5）结构简单

平面变压器是由少量部件和最少的绕组构成的，在自动化装配中特别适用。

平面变压器最大的优点是漏感和交流阻抗小，同时，它的体积小，是一种具有优异磁性能的电子元件。平面变压器的优点如上所述，同样它也有缺点：一是单个平面变压器功率不大，在功率要求大的应用场合受到限制；二是设计计算比较繁琐，设计数据和方法不能统一；三是制造工艺复杂，成本较高。为了克服这些缺点，下一章给出了一种标准的平面变压器模块设计的方法，使得平面变压器的设计模块化，易于计算，简化研制过程并且成本低廉，因此，标准的平面变压器模块设计的方法使它有着更广阔的应用前景2。

平面变压器模块化变压器一直是电源设备缩小体积、提高功率密度、实现模块化的一个技术难点。工频变压器笨重的体积因电源的高频转换技术而变轻，但它还是使用高频铁氧体磁芯，与工频变压器相比，虽然它的体积相对变小，但离轻，薄，短，小的需求距离还很远，并且体积还是比较大，发热和漏感都较大。因为平面变压器的一次绕组和二次绕组由匝数较少的耦合组成，所以它的漏感小。因此，把它用在实际电子电路中时，平面变压器不仅损耗不大，而且电路中元器件所受的应力还会变小。不仅如此，平面变压器体积小能直接固定在电路板上，而且它有较大的表面积而利于散热和没有局部过热的问题。除此之外，它不仅能实现高磁通密度，采用紧密封装来实现高功率密度，而且因为体积的小巧使之成为一种非常好的磁性元件。平面变压器尽管有很多优点，但它有如下缺点：一是单个平面变压器功率不大，对功率要求大的应用场合受到限制；二是设计的过程非常繁琐，绕组链接比较复杂，而且设计成本也非常高。三是制造工艺复杂，成本较高。因此，需要克服这些缺点，减小变压器的生产成本和销售价格，为平面变压器的批量化生产和广泛应用扫清障碍3。

设计高频平面变压器的关键是要求对高频平面变压器的漏感和分布电容进行有效的抑制，也就是减少高频效应产生的漏感能及分布电容电场能，达到高频平面变压器的总损耗最小。我们可利用低损耗的单层径向绕组结构使变压器的动态分布电容近似为零，变压器的漏感只由绕组本身产生，并可通过增加绕组宽度和降低绕组高度减小变压器的漏感和变压器的总损耗。

为了解决单层径向绕组结构的变压器功率和电流受到单层径向绕组大小的限制问题，利用多层 PCB 板把每层的单层径向绕组并联，组成一个平面变压器模块4。

块状非金合金材料的研究铁基非晶合金自从 Duwez 1967 年首次成功合成 Fe-P-C 系铁基非晶合金以来，因好的磁性能应用广泛。但以前的 Fe 基非晶合金制造技术单一，大多用熔体急冷技术制造非晶，且非晶厚度小于 50 微米。上世纪九十年代，日本的 Inoue 小组第一次获得多组元直径达 2 毫米的块体非晶合金，并具有优异的软磁性能。从此，一系列具有良好软磁特性的铁基块体非晶合金相继被开发出来，如 Fe-TM-B，Fe-Co-Ln-B， Fe-Ni-Ti-Mo-B等合金体系。然而，在这些开发出来的铁基块体非晶合金体系中，大多组元复杂（通常 5 元以上），而且对原材料的纯度及制备环境要求极其苛刻。这无疑增加了非晶合金制备工艺的复杂性和材料成本，不利于商业化发展。因此，近年来，为了降低材料成本，材料科学家一直在努力开发低组元Fe 基块体非晶体系，并利用工业纯原材料，他们的努力也得到了一些成果5。

对于晶态的磁性材料，因它的电阻率低，磁导率也不高，涡流损失较大，所以，不能应用在高频设备中。因此，急需研发具有显著节能效果并适合于实际应用的 Fe基块状非晶合金平面变压器铁芯材料，本节将以具有优异磁性能的 Fe 基块状非晶形成体系为研究对象，成分设计的思路是使块状非晶合金中产生不均匀的强原子短程序或中程序结构。在合金体系的设计上，主要考虑：

（i）所选体系具有强非晶形成能力；

（ii）组元间存在正、负混合热原子对，使其在非晶合金的制备过程中形成不均匀的原子结构。

（iii）组元的选择；

（iv）成分对非晶形成能力的影响；

（v）成分优化。 为了最终遴选出兼具强非晶形成能力、高磁性的 Fe 基块状非晶合金体系，对所获得的不同成分的块状非晶合金进行性能分析，对主要相关的热性能参数进行测试。

Fe 基块状非晶合金的成分设计

与粉，丝，薄带等非晶材料低维尺寸相比，大块非晶合金是具有较大的三维几何尺寸的非晶材料，固态时原子在三维空间中表现为小范围内有序、长范围内无序，是一种亚稳态的无序排列结构，并且，在一定的温度范围内这种结构相对稳定，但超过这一范围这种结构将改变。

以下几个方面是设计时需要考虑的

首先，从合金组成元素设计的角度来看，有利于形成非晶的因素是组成合金的各原子差别大。实验证明当组成合金的各原子差别大时可以大大提高合金的非晶形成能力，发现主要组元原子尺寸差为大于 13 时，这种效果更明显。

其次，从合金相结构的角度来看，拓扑密堆结构是形成大块非晶合金的相结构，这种相结构使合金液体在冷却过程中形核长大需要原子的长程扩散，但非晶合金的多组元却使长程扩散很不容易产生，金属间化合物形成的机率几乎很小，而形成非晶的能力却大大增加。

第三，从制备大块非晶合金的热力学观点看，要制备大块非晶合金，导致低的化学电位而使 Gibbs 自由能差降低的因素有：有极低的自由能差、高的过冷度△ Tx、低的熔化焓△ Hr、高的约化非晶转变温度 Tg 及高的液/固相界面能，这样非晶容易形成，不容易发生结晶。由热力学原理可知，从液体到固体状转变时，自由能的变化可以表示为△ x G=△ H—TAS，而熔化熵 AS 因合金组元数的增多而增大，合金组元数的增加，也增大了原子紧密无序排列的程度，而原子稠密无序排列程度的增大有利于减小熔化焓，同时增加液固界面能。

因此，强非晶形成能力的合金大都是合金组元数大于三的合金体系，结晶的驱动力因合金都是 3 个以上组元的合金系而降低，形成非晶的能力也因合金都是 3 个以上组元的合金系而增加。过冷液态与晶态的焓变 H 的绝对值因多组元组合形成的随机密堆结构而大大降低了，这种多组元组合具有差异较大的原子尺寸，与此同时，固液界面能也因这种结构而增大，这是因为增加 H 导致了 G 的增加，形成非晶的能力因晶体的形核与生长被抑制而增大，从宏观上看是因提高了合金的晶化温度 Tx 和非晶转变温度 Tk 而使过冷液相区间温度△ Tx 变大。因此，液相中通过原子尺寸差和原子之间的强烈结合反应引起固液相之间具有小的熵变和自由能差，同时具有低的焓变来减小结晶的驱动力和增大形成非晶的能力，这是大块非晶形成的热力学条件。

最后，大块非晶形成的动力学条件，从液体状态到固体状态的快速冷却过程中，容易形成非晶态的动力学条件是需抑制晶体的形核与长大。因此，从动力学角度来看，结晶所考虑的因素和非晶形成所考虑的因素都是晶体的形核与长大。在结晶动力学上过冷度反映形核率和长大率的大小，在宏观上过冷度大的合金形核率和长大率较小。同样，在宏观上形核率和长大率较小的合金，它的非晶形成的能力也较大。

综上所述，Fe 基块状非晶合金的成分设计要考虑的因素有：组元数三种以上，原子直径差大于百分之十三；合金具有较大的负混合热，因为负混合热较大，不仅增大了固液界面能，而且负混合热对结晶形核不利，长程有序排列不易产生，结晶也就不容易产生了；另外，对非晶形成能力也有较大影响的因素还有合金中原子的各化学键的特点、合金中各组成元素的相对含量，合金中各组成元素的电子结构，热力学上的性质特点以及相应晶态合金的结构等。Fe 基块状非晶合金合金化元素从化学成份在合金中的作用看，主要是铁磁性元素：Fe、Co、Ni 及非晶形成元素:主要有 Si、B、P、C 等。

对并联的径向绕组平面变压器模块来说，提高工作频率和改进磁芯损耗是提高并联的径向绕组平面变压器模块可传输功率的有效途径，减小并联的径向绕组平面变压器模块涡流损耗的主要途径是提高铁芯材料的电阻率，从铁芯材料微观结构考虑，应用均匀的小晶粒以及同电阻的晶界和晶粒来提高铁芯材料的电阻率，而常规磁芯材料如硅钢它们的电阻率不能满足并联的径向绕组平面变压器的要求，因此，本文试图寻找一种电阻率高和涡流损耗小的铁芯材料来满足并联的径向绕组平面变压器模块的要求，研究发现铁基块体非晶合金不仅电阻率高和涡流损耗小，而且有优异的软磁性能，它的电阻率比一般的晶态合金要高 2－3 倍，同时具有低的矫顽力Hc 和最小各向异性常数 K，所以减小了涡流损耗，非常适合作为并联的径向绕组平面变压器模块的铁芯材料1。

平面变压器铁芯的损耗分析提高晶态铁芯材料的电阻率是减小平面变压器涡流损耗的重要方式，从微观结构上，晶态铁芯材料应有大小均匀的小晶粒和高电阻率的晶界和晶粒，因为这样的小晶粒具有最大晶界表面而增大电阻率，但对晶态铁芯材料来说要做到这一点是比较困难的。而非晶合金结构的材料因无晶态结构，它的电阻率比一般的晶态合金要高 2－3 倍，同时非晶合金具有低的矫顽力 Hc 和最小各向异性常数 K，所以减小了涡流损耗，涡流损耗在平面变压器磁芯工作到较高频率时就占支配地位，也就是说，非晶合金材料显示出高频下具有低的涡流损耗。

除此之外，它还具有高强度、高塑性，大的块状厚度，高的有效磁导率，高的磁感应强度和较低的矫顽力等特点，除了具有优异的软磁性能外，还同时具有良好的机械性能。特别是铁基块状非晶与晶态磁性材料相比，铁基块状非晶原子排列无序也无各向异性，电阻率和磁导率都高的同时涡流损耗少，具有显著的节能效果，因此，在现代工业中广泛用于变压器和高频设备中，当次级开路时，非晶变压器的损耗只有硅钢铁芯变压器损耗的百分之二十左右，非晶变压器的空载电流只有硅钢铁芯变压器空载电流的百分之十五左右，因此，非晶变压器是目前节约能源且效果最好的变压器。另外，非晶合金铁芯还用在各种高频器件，传感器的放大电路，高耐磨音频视频磁头上，导致它们的体积成倍减小，工作频率和效率大大提高。当前，传统的硅钢、坡莫合金和铁氧体材料正逐步被损耗低、导磁高的非晶软磁材料所替代，由此非晶软磁材料成为越来越引人注目的新型功能材料，它特别适合制作高频功率平面变压器6。

目前，非晶合金铁芯的主要研究工作大都集中在传统的条带状 Fe 基非晶，条带绕制的磁芯存在气隙较大且叠片系数较低，而关于高性能块状非晶合金铁芯的研究未见报道。下面将对具有强非晶形成的能力并易于生产的新型块体非晶软磁材料的铁芯进行研究，该块体非晶软磁材料不仅具有大的饱和磁化强度和较低的矫顽力，优异的热磁性能和较大的过冷液态区，而且具有强非晶形成能力，更重要的是用工业纯原材料生产。

平面变压器铁芯

平面变压器磁芯应具有的磁特性主要有以下二点：

1）由于截止频率正比于饱和磁通密度，在规定频率下变压器磁芯允许有一个大的磁通偏移，从而可减少匝数；因此，在工作频率范围内和在给定温升条件下，平面变压器磁芯应具有大的饱和磁通密度或磁导率，居里温度和电阻率高及机械强度好，同时还应具有磁芯总损耗低等特点。

2）因平面变压器的可传输功率正比于工作频率 f，最大可允许磁通 Bmax 和磁路截面积 Ae。因此，在保证平面变压器设定的功率，尺寸和重量目标的情况下，尽量增大磁芯尺寸（增大 Ae）来提高变压器通过功率，同时，提高工作频率和改进高频磁芯损耗来提高平面变压器的可传输功率。