塊狀非晶合金平面變壓器，是一種用並聯的徑向繞組平面變壓器模組和用塊體非晶合金製造鐵芯，針對目前平面變壓器設計技術面臨二個工程難題：一是平面變壓器單個功率小，結構特殊，不易標準化；二是平面變壓器設計分析繞組特殊結構較多，而對平面變壓器的關鍵部件鐵芯研究分析較少，進行平面變壓器的最佳化設計而得的變壓器。
基本介紹
- 中文名：塊狀非晶合金平面變壓器
- 外文名：Planar Transformer with Bulk Metallic-Glass-Alloyed Core
- 技術難題一：單個功率小，結構特殊，難標準化
- 技術難題二：繞組特殊結構較多
- 鐵芯：塊體非晶合金製造
- 繞組：並聯的徑向繞組
背景,優缺點,特點,模組化,材料的研究,損耗分析,
背景
1913年前人類發明了第一台單相變壓器，由於電能輸送的最好形式是採用變壓器，所以變壓器發明後不久就獲得了廣泛的套用，今天已廣泛套用在各行業中，100多年來變壓器製造業不僅在套用上而且從設計上都取得了重大發展。隨著電子技術的不斷發展，有源器件的進步，我們使用的產品，無論從體積上還是重量上和以前相比都大大的減小，使得磁芯電子元器件變得輕、薄、小。那么，生產變壓器的工藝也要發生變化，它也向高頻率、低能耗、質量輕、小體積的方向發展，作為電子核心部件的變壓器將是這場變革的首當其衝元件，因而推廣套用具有高飽和磁感、高初始磁導率和高頻損耗低的鐵基塊狀非晶合金變壓器將大大促進電子產品的小型化，滿足電子行業的發展需要。在電子信息領域，大量的高頻開關電源因高頻逆變技術的成熟取代傳統的大功率線性電源，對變壓器的要求也隨著開關電源的工作頻率變高、效率的提高、體積的變小而變高。這樣對矽鋼變壓器是極大地挑戰，鐵氧體變壓器雖然能滿足在高頻狀態下損耗低的要求，但因功率過大還是有很多亟待解決的問題：
單相變壓器
單相變壓器①飽和磁感應強度不高，變壓器的體積受到限制；
②因居里溫度低而不能具有良好的熱穩定性；
③對於大尺寸鐵芯，生產成本高，成品率低。
鐵基塊狀非晶合金鐵芯變壓器能夠既有高飽和磁感又使高頻損耗減低，還有很好的熱穩定性，是實現大功率開關電源的最佳選擇。因此，在開關電源中鐵基塊狀非晶合金變壓器在此大有用武之地。在家用產品中，隨著變頻技術的發展，低損耗，小體積和輕重量的電器正在大量普及，在變頻家電綠色化方面發揮越來越重要的作用。總之，鐵基塊狀非晶合金鐵芯變壓器不僅性能優異，而且生產工藝簡單、成本低，已成為一項性價比優異的基礎元件。可以預見，鐵基塊狀非晶合金變壓器對我國工業的發展和科技進步將發揮重要的作用，帶來顯著的社會效益。
優缺點
平面變壓器有如下主要優點：
1）低造型。
由於平面變壓器的高度比長寬要小得多，大大縮短了導熱距離，因此，平面變壓器的散熱性能優異，在和電路板及一些相關的電子元器件組裝時可以變得更緊緊湊，減小了電器設備的體積，增大了電器設備的能量密度，而且平面變壓器的低高度使平面變壓器表面貼裝的方式成為可能。
平面變壓器
平面變壓器2）低損耗性。
平面變壓器的結構是：銅箔和電路板緊密結合。使用非常小間隙的匝數層，極大地減小了相鄰層之間的能量損失。傳統變壓器採用的圓截面導線會引起趨膚效應的產生，平面變壓器採用敷銅做線圈，形成一個真正的平面線，可以有效減少趨膚效應，很好地防止了繞組的交流電阻過大而增加的變壓器銅耗。平面導線的敷銅很薄，即使電流流向敷銅薄膜的邊緣，所產生的趨膚效應也小於 2 倍的趨膚深度，整個敷銅線都會流過電流而提高整體效率。
3）低漏感。
變壓器繞組之間的耦合程度，還可以減少漏感，但不得不面對繞組之間絕緣的問題。由於平面變壓器是由多層平面導線薄膜組成，用初級繞組和次級組被交替堆疊來加強繞組耦合，這樣減少了電磁干擾，變壓器的漏感也降低了。
4）高頻特性好。
平面變壓器技術不會像傳統的變壓器那樣在高頻率的工作環境中出現較大的開關損耗，變壓器也不會過熱，因此，平面變壓器的工作頻率可以高達 2MHz 或更高。
5）適合規模生產。
採用印刷電路板結構的平面變壓器比較傳統的變壓器，在設計定型後，更易於生產、加工、製作，有利於實現機械加工和大批量生產，有利於改善變壓器繞組的一致性，平面變壓器繞組如果採用 PCB 製作技術，可實現特性重現使它的幾何形狀和寄生特性限定在 PCB 製造公差之內。
目前，平面變壓器有如下主要缺點：
1）首先，目前平面變壓器磁芯材料主要以矽鋼，軟磁鐵氧體及軟磁複合材料為主， 矽鋼儘管磁導率高但電阻率低，軟磁鐵氧體電阻率高但磁導率低，軟磁複合材料可以減少高頻渦流損耗，提高套用頻率但同樣面臨磁導率低的問題，而性能優異的非晶軟磁材料多以快淬非晶條帶為前驅體，經適當晶化處理而得，但由於條帶繞制的磁芯存在氣隙較大和較大的退火脆性等缺陷，限制了它在平面變壓器上的套用。
2）其次，平面變壓器一次繞組與二次繞組之間的較小距離使平面變壓器具有較小的漏感和較大的一次繞組與二次繞組之間的分布電容。
3）第三，平面變壓器的視窗利用率低，僅為 0.25-0.3，比 0.4 的傳統視窗利用率低，因為，平面變壓器繞組的重現化特徵是用增大視窗中絕緣材料的比例換來的。
塊狀非晶合金平面變壓器
塊狀非晶合金平面變壓器4）第四，由於平面變壓器設計涉及到的參數較多，一直無法像其它電子元器件那樣有現成變壓器可供選用。
5）最後，平面變壓器需要用特殊的鐵芯和敷銅薄膜，不同的鐵芯需要不同的磁芯模具，而且在大電流時製作較厚的敷銅薄膜層比較困難，因此，阻礙了平面變壓器的發展。
有鑒於此，研究塊狀非晶平面變壓器，採用混合熱與工藝試驗相結合的方法，開展塊狀非晶合金體系磁芯的研究；根據電場能與磁場能理論，研究平面變壓器的漏感，分布電容，絕緣材料厚度，銅填充係數與視窗利用率；採用面積乘積法來確定鐵芯視窗大小；採用交叉換位設計繞組繞制方式。並探討用模組化設計解決平面變壓器繞組的重現化特徵是用增大視窗中絕緣材料的比例與降低視窗填充率的問題，同時解決平面變壓器功率小和在電流較大時需製作較厚敷銅層的問題。為變壓器製造業開闢一個新的加工方法，為設計和最佳化各種高性能平面變壓器提供堅實可靠的理論和技術基礎。
特點
（1）電流分配
典型的平面變壓器通常是由單匝（或幾匝）原邊繞組和單匝（或幾匝）的副邊繞組耦合組成，二次繞組都和一個一次繞組相耦合，因此繞組電流分配均。
（2）高效率
平面變壓器功耗小，能使它達到很高的效率。
（3）高功率密度
因為平面變壓器的尺寸很小，它具有極好的溫度耗散特性，所以能和有關的半導體器件和電感緊密地封裝在一起，實現高功率密度。
（4）低成本
整個變壓器是由少量有關的廉價元件組成，加上組裝又很方便，所以變壓器的成本較低。
（5）結構簡單
平面變壓器是由少量部件和最少的繞組構成的，在自動化裝配中特別適用。
平面變壓器最大的優點是漏感和交流阻抗小，同時，它的體積小，是一種具有優異磁性能的電子元件。平面變壓器的優點如上所述，同樣它也有缺點：一是單個平面變壓器功率不大，在功率要求大的套用場合受到限制；二是設計計算比較繁瑣，設計數據和方法不能統一；三是製造工藝複雜，成本較高。為了克服這些缺點，下一章給出了一種標準的平面變壓器模組設計的方法，使得平面變壓器的設計模組化，易於計算，簡化研製過程並且成本低廉，因此，標準的平面變壓器模組設計的方法使它有著更廣闊的套用前景。
模組化
變壓器一直是電源設備縮小體積、提高功率密度、實現模組化的一個技術難點。工頻變壓器笨重的體積因電源的高頻轉換技術而變輕，但它還是使用高頻鐵氧體磁芯，與工頻變壓器相比，雖然它的體積相對變小，但離輕，薄，短，小的需求距離還很遠，並且體積還是比較大，發熱和漏感都較大。因為平面變壓器的一次繞組和二次繞組由匝數較少的耦合組成，所以它的漏感小。因此，把它用在實際電子電路中時，平面變壓器不僅損耗不大，而且電路中元器件所受的應力還會變小。不僅如此，平面變壓器體積小能直接固定在電路板上，而且它有較大的表面積而利於散熱和沒有局部過熱的問題。除此之外，它不僅能實現高磁通密度，採用緊密封裝來實現高功率密度，而且因為體積的小巧使之成為一種非常好的磁性元件。平面變壓器儘管有很多優點，但它有如下缺點：一是單個平面變壓器功率不大，對功率要求大的套用場合受到限制；二是設計的過程非常繁瑣，繞組連結比較複雜，而且設計成本也非常高。三是製造工藝複雜，成本較高。因此，需要克服這些缺點，減小變壓器的生產成本和銷售價格，為平面變壓器的批量化生產和廣泛套用掃清障礙。
設計高頻平面變壓器的關鍵是要求對高頻平面變壓器的漏感和分布電容進行有效的抑制，也就是減少高頻效應產生的漏感能及分布電容電場能，達到高頻平面變壓器的總損耗最小。我們可利用低損耗的單層徑向繞組結構使變壓器的動態分布電容近似為零，變壓器的漏感只由繞組本身產生，並可通過增加繞組寬度和降低繞組高度減小變壓器的漏感和變壓器的總損耗。
為了解決單層徑向繞組結構的變壓器功率和電流受到單層徑向繞組大小的限制問題，利用多層 PCB 板把每層的單層徑向繞組並聯，組成一個平面變壓器模組。
材料的研究
鐵基非晶合金自從 Duwez 1967 年首次成功合成 Fe-P-C 系鐵基非晶合金以來，因好的磁性能套用廣泛。但以前的 Fe 基非晶合金製造技術單一，大多用熔體急冷技術製造非晶，且非晶厚度小於 50 微米。上世紀九十年代，日本的 Inoue 小組第一次獲得多組元直徑達 2 毫米的塊體非晶合金，並具有優異的軟磁性能。從此，一系列具有良好軟磁特性的鐵基塊體非晶合金相繼被開發出來，如 Fe-TM-B，Fe-Co-Ln-B， Fe-Ni-Ti-Mo-B等合金體系。然而，在這些開發出來的鐵基塊體非晶合金體系中，大多組元複雜（通常 5 元以上），而且對原材料的純度及製備環境要求極其苛刻。這無疑增加了非晶合金製備工藝的複雜性和材料成本，不利於商業化發展。因此，近年來，為了降低材料成本，材料科學家一直在努力開發低組元Fe 基塊體非晶體系，並利用工業純原材料，他們的努力也得到了一些成果。
鐵基非晶合金
鐵基非晶合金（i）所選體系具有強非晶形成能力；
（ii）組元間存在正、負混合熱原子對，使其在非晶合金的製備過程中形成不均勻的原子結構。
（iii）組元的選擇；
（iv）成分對非晶形成能力的影響；
（v）成分最佳化。 為了最終遴選出兼具強非晶形成能力、高磁性的 Fe 基塊狀非晶合金體系，對所獲得的不同成分的塊狀非晶合金進行性能分析，對主要相關的熱性能參數進行測試。
Fe 基塊狀非晶合金的成分設計
與粉，絲，薄帶等非晶材料低維尺寸相比，大塊非晶合金是具有較大的三維幾何尺寸的非晶材料，固態時原子在三維空間中表現為小範圍內有序、長範圍內無序，是一種亞穩態的無序排列結構，並且，在一定的溫度範圍內這種結構相對穩定，但超過這一範圍這種結構將改變。
Fe 基塊狀非晶合金
Fe 基塊狀非晶合金以下幾個方面是設計時需要考慮的
首先，從合金組成元素設計的角度來看，有利於形成非晶的因素是組成合金的各原子差別大。實驗證明當組成合金的各原子差別大時可以大大提高合金的非晶形成能力，發現主要組元原子尺寸差為大於 13 時，這種效果更明顯。
其次，從合金相結構的角度來看，拓撲密堆結構是形成大塊非晶合金的相結構，這種相結構使合金液體在冷卻過程中形核長大需要原子的長程擴散，但非晶合金的多組元卻使長程擴散很不容易產生，金屬間化合物形成的機率幾乎很小，而形成非晶的能力卻大大增加。
第三，從製備大塊非晶合金的熱力學觀點看，要製備大塊非晶合金，導致低的化學電位而使 Gibbs 自由能差降低的因素有：有極低的自由能差、高的過冷度△ Tx、低的熔化焓△ Hr、高的約化非晶轉變溫度 Tg 及高的液/固相界面能，這樣非晶容易形成，不容易發生結晶。由熱力學原理可知，從液體到固體狀轉變時，自由能的變化可以表示為△ x G=△ H—TAS，而熔化熵 AS 因合金組元數的增多而增大，合金組元數的增加，也增大了原子緊密無序排列的程度，而原子稠密無序排列程度的增大有利於減小熔化焓，同時增加液固界面能。
因此，強非晶形成能力的合金大都是合金組元數大於三的合金體系，結晶的驅動力因合金都是 3 個以上組元的合金系而降低，形成非晶的能力也因合金都是 3 個以上組元的合金系而增加。過冷液態與晶態的焓變 H 的絕對值因多組元組合形成的隨機密堆結構而大大降低了，這種多組元組合具有差異較大的原子尺寸，與此同時，固液界面能也因這種結構而增大，這是因為增加 H 導致了 G 的增加，形成非晶的能力因晶體的形核與生長被抑制而增大，從巨觀上看是因提高了合金的晶化溫度 Tx 和非晶轉變溫度 Tk 而使過冷液相區間溫度△ Tx 變大。因此，液相中通過原子尺寸差和原子之間的強烈結合反應引起固液相之間具有小的熵變和自由能差，同時具有低的焓變來減小結晶的驅動力和增大形成非晶的能力，這是大塊非晶形成的熱力學條件。
最後，大塊非晶形成的動力學條件，從液體狀態到固體狀態的快速冷卻過程中，容易形成非晶態的動力學條件是需抑制晶體的形核與長大。因此，從動力學角度來看，結晶所考慮的因素和非晶形成所考慮的因素都是晶體的形核與長大。在結晶動力學上過冷度反映形核率和長大率的大小，在巨觀上過冷度大的合金形核率和長大率較小。同樣，在巨觀上形核率和長大率較小的合金，它的非晶形成的能力也較大。
綜上所述，Fe 基塊狀非晶合金的成分設計要考慮的因素有：組元數三種以上，原子直徑差大於百分之十三；合金具有較大的負混合熱，因為負混合熱較大，不僅增大了固液界面能，而且負混合熱對結晶形核不利，長程有序排列不易產生，結晶也就不容易產生了；另外，對非晶形成能力也有較大影響的因素還有合金中原子的各化學鍵的特點、合金中各組成元素的相對含量，合金中各組成元素的電子結構，熱力學上的性質特點以及相應晶態合金的結構等。Fe 基塊狀非晶合金合金化元素從化學成份在合金中的作用看，主要是鐵磁性元素：Fe、Co、Ni 及非晶形成元素:主要有 Si、B、P、C 等。
對並聯的徑向繞組平面變壓器模組來說，提高工作頻率和改進磁芯損耗是提高並聯的徑向繞組平面變壓器模組可傳輸功率的有效途徑，減小並聯的徑向繞組平面變壓器模組渦流損耗的主要途徑是提高鐵芯材料的電阻率，從鐵芯材料微觀結構考慮，套用均勻的小晶粒以及同電阻的晶界和晶粒來提高鐵芯材料的電阻率，而常規磁芯材料如矽鋼它們的電阻率不能滿足並聯的徑向繞組平面變壓器的要求，因此，本文試圖尋找一種電阻率高和渦流損耗小的鐵芯材料來滿足並聯的徑向繞組平面變壓器模組的要求，研究發現鐵基塊體非晶合金不僅電阻率高和渦流損耗小，而且有優異的軟磁性能，它的電阻率比一般的晶態合金要高 2－3 倍，同時具有低的矯頑力Hc 和最小各向異性常數 K，所以減小了渦流損耗，非常適合作為並聯的徑向繞組平面變壓器模組的鐵芯材料。
損耗分析
提高晶態鐵芯材料的電阻率是減小平面變壓器渦流損耗的重要方式，從微觀結構上，晶態鐵芯材料應有大小均勻的小晶粒和高電阻率的晶界和晶粒，因為這樣的小晶粒具有最大晶界表面而增大電阻率，但對晶態鐵芯材料來說要做到這一點是比較困難的。而非晶合金結構的材料因無晶態結構，它的電阻率比一般的晶態合金要高 2－3 倍，同時非晶合金具有低的矯頑力 Hc 和最小各向異性常數 K，所以減小了渦流損耗，渦流損耗在平面變壓器磁芯工作到較高頻率時就占支配地位，也就是說，非晶合金材料顯示出高頻下具有低的渦流損耗。
除此之外，它還具有高強度、高塑性，大的塊狀厚度，高的有效磁導率，高的磁感應強度和較低的矯頑力等特點，除了具有優異的軟磁性能外，還同時具有良好的機械性能。特別是鐵基塊狀非晶與晶態磁性材料相比，鐵基塊狀非晶原子排列無序也無各向異性，電阻率和磁導率都高的同時渦流損耗少，具有顯著的節能效果，因此，在現代工業中廣泛用於變壓器和高頻設備中，當次級開路時，非晶變壓器的損耗只有矽鋼鐵芯變壓器損耗的百分之二十左右，非晶變壓器的空載電流只有矽鋼鐵芯變壓器空載電流的百分之十五左右，因此，非晶變壓器是目前節約能源且效果最好的變壓器。另外，非晶合金鐵芯還用在各種高頻器件，感測器的放大電路，高耐磨音頻視頻磁頭上，導致它們的體積成倍減小，工作頻率和效率大大提高。當前，傳統的矽鋼、坡莫合金和鐵氧體材料正逐步被損耗低、導磁高的非晶軟磁材料所替代，由此非晶軟磁材料成為越來越引人注目的新型功能材料，它特別適合製作高頻功率平面變壓器。
目前，非晶合金鐵芯的主要研究工作大都集中在傳統的條帶狀 Fe 基非晶，條帶繞制的磁芯存在氣隙較大且疊片係數較低，而關於高性能塊狀非晶合金鐵芯的研究未見報導。下面將對具有強非晶形成的能力並易於生產的新型塊體非晶軟磁材料的鐵芯進行研究，該塊體非晶軟磁材料不僅具有大的飽和磁化強度和較低的矯頑力，優異的熱磁性能和較大的過冷液態區，而且具有強非晶形成能力，更重要的是用工業純原材料生產。
平面變壓器鐵芯
平面變壓器磁芯應具有的磁特性主要有以下二點：
1）由於截止頻率正比於飽和磁通密度，在規定頻率下變壓器磁芯允許有一個大的磁通偏移，從而可減少匝數；因此，在工作頻率範圍內和在給定溫升條件下，平面變壓器磁芯應具有大的飽和磁通密度或磁導率，居里溫度和電阻率高及機械強度好，同時還應具有磁芯總損耗低等特點。
2）因平面變壓器的可傳輸功率正比於工作頻率 f，最大可允許磁通 Bmax 和磁路截面積 Ae。因此，在保證平面變壓器設定的功率，尺寸和重量目標的情況下，儘量增大磁芯尺寸（增大 Ae）來提高變壓器通過功率，同時，提高工作頻率和改進高頻磁芯損耗來提高平面變壓器的可傳輸功率。
