Algunos nuevos desarrollos en transformadores electrónicos en fuentes de alimentación

Introducción En los últimos años, los precios de los materiales básicos y los materiales conductores utilizados en los transformadores electrónicos en las fuentes de alimentación han seguido aumentando, y las materias primas aguas arriba han formado un mercado de vendedores &. Como usuarios avanzados de transformadores electrónicos posteriores, pueden elegir y comprar a escala global para formar un mercado de compradores &. En la posición intermedia de la industria de los transformadores electrónicos, solo tomando el camino de la innovación tecnológica, podemos deshacernos de este dilema de ira en ambos extremos. Sin embargo, en la industria madura de los transformadores electrónicos, la innovación tecnológica es más difícil. Pero cada pequeña mejora de enlace puede traer nuevas ideas y nuevos productos. Por lo tanto, este artículo presenta algunos nuevos desarrollos en transformadores electrónicos en fuentes de alimentación en los últimos años desde cuatro aspectos: nuevos materiales, nuevas estructuras, nuevos principios y nuevos productos, para lectores' referencia. Por favor corríjame si hay alguna irregularidad. Tomando el camino de la innovación tecnológica, debemos recordar siempre el propósito a alcanzar. El transformador electrónico en la fuente de alimentación, como todos los productos como commodity, lleva a cabo cualquier innovación tecnológica, y debe realizar funciones específicas en condiciones específicas de uso, buscando la mejor relación rendimiento-precio. Los productos de energía actuales se caracterizan generalmente por ser&"livianos, delgados, cortos y pequeños &"; hacia la miniaturización y la portabilidad. Los transformadores electrónicos deben adaptarse a los requisitos de volumen y peso de los productos eléctricos como usuarios. Al mismo tiempo, han aumentado los precios de las materias primas (materiales básicos y materiales conductores) para transformadores electrónicos. Por lo tanto, cómo reducir el volumen y el peso, y cómo reducir el costo, se ha convertido en la dirección principal del desarrollo de transformadores electrónicos en los últimos años. 1. Nuevos materiales 1.1 Acero al silicio El acero al silicio es un material central ampliamente utilizado en transformadores electrónicos en fuentes de alimentación de frecuencia industrial. Para reducir la cantidad de núcleo en los transformadores electrónicos, se debe aumentar la densidad de flujo magnético de trabajo (densidad magnética de trabajo) del acero al silicio. La densidad magnética de trabajo del acero al silicio está determinada tanto por la densidad de flujo magnético de saturación como por la pérdida. Debido a que la eficiencia es un índice de rendimiento importante de los transformadores electrónicos, muchos productos de energía ahora requieren pérdida de reserva para ahorrar energía. La pérdida del núcleo del transformador electrónico es el componente principal de la pérdida de reserva, por lo tanto, se establecen requisitos claros y estrictos sobre la eficiencia o pérdida del transformador electrónico. En los últimos años, el precio del acero al silicio laminado en frío orientado y no orientado ha aumentado. En comparación con los núcleos tipo R, tipo CD y tipo EI, los núcleos toroidales enrollados pueden ahorrar más de 20 % del costo del material del núcleo debido al menor consumo de materiales. El ámbito de uso en el transformador. El núcleo toroidal enrollado puede dar pleno rendimiento al rendimiento del acero al silicio laminado en frío orientado. En comparación con el acero laminado en frío no orientado, la densidad magnética de trabajo es mucho mayor. Al mismo tiempo, a diferencia de los núcleos de hierro tipo R, tipo CD y tipo EI, los materiales de acero al silicio se pueden utilizar por completo, no habrá desperdicio en las esquinas y la tasa de utilización del material puede alcanzar más de 98 %. En los últimos años, ha habido una mejora considerable en el acero al silicio orientado laminado en frío. El acero al silicio laminado en frío orientado de 0,23 mm de producción nacional de 23Q110 tiene una densidad de flujo magnético de trabajo de 1,7 T y 50 Hz, y la unidad de pérdida de peso es de 1,10 Wkg. El acero al silicio laminado en frío orientado de 0,23 mm de espesor P1.750 producido en Japón es de 0,88 Wkg. Después de que el tratamiento superficial de la tira de acero al silicio se recubre con un revestimiento de tensión, P1.750 cae a 0.7Wkg. Al cambiar el proceso de recocido para refinar los dominios magnéticos, P1.750 cae a 0.55 ～ 0.45Wkg, que es mucho más bajo que el acero al silicio laminado en frío no orientado de 0.35 mm de espesor a una densidad magnética de trabajo de 1.5T y 50Hz (P1. 550) de 2Wkg. Con la condición de garantizar la misma pérdida, la densidad magnética de trabajo del acero al silicio laminado en frío orientado de 0,23 mm de espesor puede alcanzar 1,85T. Si se selecciona para procesar el núcleo toroidal, es 1,23 veces mayor que la densidad magnética de trabajo del acero al silicio laminado en frío no orientado 1,5 T. La sección y el volumen del núcleo se pueden reducir en más de 23 %. Hoy en día, los transformadores de potencia de frecuencia de potencia de núcleo de hierro tipo EI se utilizan ampliamente en los adaptadores de potencia de cargadores de teléfonos móviles y electrodomésticos, y en ocasiones se produce un sobrecalentamiento. El núcleo EI está formado por láminas perforadas en forma de EI. Una quinta parte de la longitud de la hoja perforada en forma de E es ortogonal a la dirección longitudinal (dirección de orientación). Para resistir el campo magnético transversal, generalmente se utiliza acero al silicio laminado en frío no orientado. En los últimos años, la compañía japonesa Kawasaki ha desarrollado acero al silicio laminado en frío orientado a la serie RGE que se puede utilizar para núcleos EI. El espesor es de 0.35 mm, la densidad magnética de saturación longitudinal es 1.80 ～ 1.90 T, la densidad magnética de saturación lateral es 1.825T y la pérdida P1.750 es 1.10 ～ 1.25Wkg. Al mismo tiempo, la película aislante es relativamente delgada y el rendimiento de estampado es bueno. Usándolo para hacer el núcleo de hierro, la densidad magnética de trabajo puede ser más de 1.7T, que es 15 % más alto que el del acero al silicio laminado en frío no orientado. La sección y el volumen del núcleo se pueden reducir en más de 15 %, y la pérdida se reduce considerablemente. , No habrá más sobrecalentamiento. La compañía japonesa Kawasaki también ha desarrollado un acero laminado en frío no orientado con alta densidad magnética de saturación. El grosor es de 0,5 mm, el contenido de silicio es inferior a 1 %, 0,6 % y el contenido de aluminio es de 0,3 %. Después de agregar 0.52 % níquel, la densidad magnética de saturación es 1,96T. , La pérdida P1.550 es de 3 Wkg. Utilizándolo como material de núcleo EI, la densidad magnética de trabajo también puede ser de 1,7 T, pero la pérdida es relativamente grande. Vale la pena señalar que: como una gran clase de transformadores electrónicos, el uso de materiales de núcleo con alta densidad magnética de trabajo puede reducir el número de vueltas de la bobina y reducir la cantidad de cobre, en lugar de reducir la sección y el volumen del núcleo. En la situación en la que el precio del material de cobre es mucho más alto que el del material del núcleo, puede ser un mejor plan de mejora del diseño. 1.2 Ferritas blandas Las ferritas blandas son materiales centrales que se utilizan ampliamente en transformadores electrónicos en fuentes de alimentación de media y alta frecuencia. En comparación con los materiales magnéticos blandos metálicos, las ferritas blandas tienen baja densidad magnética de saturación, baja permeabilidad y temperatura de Curie. El bajo es su mayor debilidad. Especialmente cuando la temperatura de Curie es baja, la densidad magnética de saturación Bs y la pérdida de potencia por unidad de volumen Pcv cambiarán con la temperatura. La temperatura sube, Bs baja, Pcv comienza a bajar y luego sube después de llegar al punto del valle. Por lo tanto, en condiciones de alta temperatura, siempre que Bs mantenga un nivel alto, la densidad magnética de trabajo Bm se puede seleccionar más alta, reduciendo así el número de vueltas de la bobina, reduciendo la cantidad de cobre utilizado y el costo. El material de ferrita blanda de densidad magnética de alta temperatura y alta saturación también puede expandir el límite superior de temperatura de los transformadores electrónicos a 120 o incluso 150 beneficios. Por ejemplo, los transformadores electrónicos de alta frecuencia en equipos electrónicos automotrices deben usar ferrita blanda de densidad magnética de alta saturación y alta temperatura para trabajar en condiciones de alta temperatura con grandes cambios en las condiciones de temperatura externa y calor en la sala de máquinas. Como ferrita blanda MnZn para transformadores electrónicos de media y alta frecuencia, representada por la compañía TDK de Japón &, ha experimentado aproximadamente el proceso de desarrollo de PC30 → PC40 → PC44 → PC50 → PC47 → PC95 → PC90. En las condiciones de prueba de 100 ℃, 100 kHz y 200 mT, la pérdida de potencia por unidad de volumen sigue disminuyendo. Según los datos publicados por la empresa en abril de 2006, el PC30 es de 600 mW / cm3; PC40 es 420 mW / cm3; PC44 es 340 mW / cm3; PC47 es de 270 mW / cm3. Sin embargo, la densidad de flujo de saturación Bs por debajo de 100 beneficios, PC30, PC40 y PC44 son básicamente 390 mT, PC47 es 410 mT, que está lejos del valor teórico de 600 mT, y no puede considerarse como un flujo de alta temperatura y alta saturación. material de densidad. En los últimos años, con el fin de competir con los materiales magnéticos blandos metálicos en la aplicación de transformadores electrónicos, ha habido una ola de desarrollo de materiales de ferrita MnZn de densidad magnética de alta temperatura y alta saturación. La compañía FDK de Japón&desarrolló la serie 4H de materiales de alta temperatura y densidad magnética de alta saturación en marzo de 2003. Entre ellos, los Bs de 4H45 y 4H47 son 520 mT y 530mT a 25 ℃, 450mT y 470mT a 100 ℃, pero a 100 ℃, la pérdida de potencia Pcv es relativamente alta, respectivamente 450mW / cm3 y 650mW / cm3. Según los informes, FDK ha desarrollado un material 4H50 en condiciones de laboratorio. La Bs a 100 ° C es 490 mT, pero la Pcv es bastante grande a 800 mW / cm3. La compañía japonesa TDK desarrolló el material PC90 en septiembre de 2004. A 25 ℃, Bs es 540mT y Pcv es 680 mW / cm3; a 100 ℃, Bs es 450 mT y Pcv es 320mW / cm3, que es superior al nivel de material 4H45. La compañía TOKIN desarrolló el material BH3. A 25 ° C, su Bs es 540 mT y Pcv es 600 mW / cm3; a 100 ° C, Bs es 440 mT y Pcv es 370 mW / cm3. NICERA ha desarrollado el material BM30, con Bs de 540 mT y Pcv de 720 mW / cm3 a 25 ° C; a 100 ° C, Bs de 450mT y Pcv de 320mW / cm3. El material de ferrita con alto contenido de hierro y bajo contenido de zinc desarrollado por Hitachi Metals, Bs es 563 mT a 25 ℃; 560 mT a 100 ℃, básicamente sin cambios, 150 ℃ es 490 mT, pero a 100 ℃, 100 kHz. Bajo la condición de prueba de 200 mT, el Pcv es 1700mW / cm3, que es demasiado alto y necesita mejoras. Muchos equipos de suministro de energía no solo requieren que el transformador electrónico esté en condiciones de funcionamiento, es decir, la pérdida debe ser pequeña a alta temperatura, sino también en el estado de espera, es decir, la pérdida debe ser pequeña a temperatura normal. Estos transformadores electrónicos pueden utilizar ferrita blanda con amplia temperatura y bajo consumo de energía. PC95 desarrollado por TDK de Japón&es un material de ferrita de alto nivel y temperatura amplia que ha surgido en los últimos años. El consumo de energía Pcv es 350mW / cm3 a 25 ° C, 280mW / cm3 a 80 ° C, 290mW / cm3 a 100 ° C, 350mW / cm3 a 120 ° C y densidad magnética de saturación de 410mT a 100 ° C. En los últimos años, se han desarrollado una serie de materiales de ferrita blanda μ de alta permeabilidad. Se utilizan como transformadores de pulsos en equipos electrónicos de potencia. Se requiere que la permeabilidad μ sea relativamente alta. Hay H5C3 de TDK, que tiene un μ de 15 000 ± 30. %, H5C5, μ es 30000 ± 30 %. Para EPCOS' s T56, μ es 20000 ± 30 %. Para el filtrado de interferencias electromagnéticas, se requieren buenas características de frecuencia de permeabilidad. TDK HS52, μ es 5 500 ± 25 %; HS72, μ es 7500 ± 25 %; HS10, μ es 10000 ± 25 %. El MP15T de HITACHI tiene un μ de 15000 ± 25 % y puede funcionar por debajo de 500 kHz. Para el filtrado de CC, se requieren buenas características de superposición de CC. TDK' s DN45, μ es 4500 ± 25 %, la temperatura de funcionamiento es 0 ～ 70 ℃, y el DNW45 mejorado, μ es 4200 ± 25 %, la temperatura de funcionamiento es -40 ℃ ～ +85 ℃, SK-202G de Kawasaki, temperatura de funcionamiento -40 ℃ ～ +85 ℃, μ es 4300 ± 25 %, y materiales de alta densidad magnética de saturación y alta permeabilidad, como TDK's DN50, μ es 5 200 ± 20 % , Bs es 550 mT a 25 ℃, 380 mT a 100 ℃, temperatura de Curie Tc ≥ 210 ℃. 1.3 Aleaciones amorfas y nanocristalinas Desde principios de 2005, debido al desequilibrio en la oferta y demanda internas de flejes de acero al silicio laminado en frío orientado, el precio de los flejes de acero al silicio laminado en frío orientado ha aumentado rápidamente y ahora ha superado el precio de tiras de aleación amorfa a base de hierro. En las condiciones actuales de precios de mercado, la sustitución del acero al silicio orientado laminado en frío por aleaciones amorfas a base de hierro en el campo de los transformadores de potencia de frecuencia industrial ya no es solo una cosa posible, se ha convertido en una realidad. En la industria de los transformadores de potencia, los fabricantes de transformadores de distribución han cambiado los materiales del núcleo de acero al silicio laminado en frío orientado a aleaciones amorfas a base de hierro. Al mismo tiempo, a partir del 1 de julio de 2006, la norma nacional obligatoria" Valores limitados de eficiencia energética y valores de evaluación de conservación de energía para transformadores de distribución" se implementó formalmente, lo que promovió aún más el uso de aleaciones amorfas a base de hierro en lugar de acero al silicio laminado en frío orientado en los transformadores de distribución. recrudecimiento. Al igual que los transformadores de distribución, la sustitución del acero al silicio laminado en frío orientado por aleaciones amorfas a base de hierro en los transformadores de potencia de frecuencia industrial se convertirá en un importante avance en los transformadores electrónicos de las fuentes de alimentación. ¿Por qué? La razón se puede ver en la comparación de los indicadores técnicos y económicos del acero al silicio laminado en frío orientado y la aleación amorfa a base de hierro en la Tabla 1. El acero al silicio laminado en frío de orientación media en la Tabla 1 toma la inducción magnética alta 23R100 y magnética tratamiento de dominio 23R085 producido en Japón como ejemplos, y la aleación amorfa a base de hierro toma el 1K101 producido en el país y el Metglas 2605SA1 producido por Hitachi como ejemplos, como puede verse en la Tabla 1. Se presentan las siguientes características. [align = center] Tabla 1 Comparación de indicadores técnicos y económicos entre el acero al silicio orientado laminado en frío y las aleaciones amorfas a base de hierro [/ align] (1) La densidad magnética de saturación Bs de las aleaciones amorfas a base de hierro es menor que la del silicio acero, pero a la misma densidad magnética de trabajo Bm (por ejemplo, 1,4T), la pérdida menor es menor que el acero al silicio. La densidad magnética de trabajo Bm de la aleación amorfa a base de hierro es 1,40 ～ 1,45T para transformadores monofásicos y 1,35 ～ 1,40T para transformadores trifásicos. La densidad magnética de trabajo Bm del acero al silicio es 1.70T para transformador monofásico y 1.65 ～ 1.70T para transformador trifásico. El peso de la aleación amorfa a base de hierro para transformadores de frecuencia industrial de la misma capacidad es de aproximadamente 120 % de acero al silicio. (2) El factor de llenado de las aleaciones amorfas a base de hierro es 0,85 para 1K101 y 0. {{356}} de producción nacional. 90 para Metglas 2605SA1 producido por Hitachi, y algunas han llegado a 0,93. Si se compara 0. {{363}} con 0,945 de acero al silicio, el volumen del núcleo de aleación amorfa a base de hierro del mismo peso es de aproximadamente 110 % de la del acero al silicio. (3) La pérdida de peso unitario de la aleación amorfa a base de hierro en condiciones de 1.4T y 50Hz es P1.450, que es solo 26.4 % a 43 % de acero al silicio, que puede reducir significativamente el calentamiento del núcleo. En las mismas condiciones de pérdida y disipación de calor, los transformadores de frecuencia de potencia de aleación amorfa a base de hierro pueden reducir la pérdida de cobre y reducir los materiales de cobre que los transformadores de frecuencia de potencia de acero al silicio. Con la condición de que el precio de los materiales de cobre sea más alto que el de los materiales de hierro, la adopción de este esquema es una medida eficaz para reducir los costos. Vale la pena señalar que la pérdida por unidad de peso P1.450 se prueba bajo un voltaje de onda sinusoidal con una distorsión menor que 2 %. La cuadrícula de frecuencia de potencia real está distorsionada a 5 %. La unidad de pérdida de peso bajo esta distorsión es P1.450, el acero al silicio es 123 % P1.450, y la aleación amorfa a base de hierro es 106 % P1.450. En este momento, P1.450 de aleación amorfa a base de hierro es solo acero al silicio. 22,7 % ～ 37 % del total. (4) El precio actual del acero al silicio se tomó del precio de mercado del acero en un lugar determinado en Guangdong a mediados de agosto de 2006, y el precio actual de las aleaciones amorfas a base de hierro importadas se tomó de Hitachi de Japón en julio de 2006, citando US $ 2,85 por kilogramo. El tipo de cambio del RMB es de 22,8 yuanes kg, más los aranceles y el impuesto al valor agregado es de 28 yuanes kg. El precio actual de las aleaciones amorfas a base de hierro nacionales es una estimación, que es algo diferente del precio de cotización de la unidad de producción. (5) La temperatura de recocido de las aleaciones amorfas a base de hierro es más baja que la del acero al silicio, con menos tiempo y menor consumo de energía. El costo de procesamiento adicional para la fabricación de núcleos de hierro debería ser menor que el del acero al silicio. Las tiras de aleación amorfa a base de hierro se pueden procesar en núcleos toroidales sinuosos, núcleos rectangulares superpuestos y núcleos abiertos en forma de C. En la década de 1990, Japón utilizó varias capas de tiras de aleación amorfa a base de hierro unidas para procesar núcleos EI, pero los costos de procesamiento adicionales fueron altos y las pérdidas de núcleos aumentaron. Posteriormente, no hubo informe relevante. Ahora, el espesor de la aleación amorfa a granel en estudio puede alcanzar el nivel de milímetros y centímetros. Si se pone en producción, se puede procesar en un núcleo EI como el acero al silicio. Combinando los factores anteriores, en el anillo y C