高頻磁性元件的磁心材料

此文對(duì)于高頻磁性元件（變壓器、電感器等）所用的磁性材料作了一個(gè)很好的綜述，與本期主題內(nèi)容緊密配合。希望電源技術(shù)工作者多寫(xiě)一些這種文章，一定會(huì)受到讀者的歡迎。

　 高頻磁性元件的磁心材料

CoreMaterialsofHigh－FrequencyMagneticComponent

摘要：高頻磁性元件作為開(kāi)關(guān)電源的重要組成部分，直接影響著開(kāi)關(guān)電源的效率、體積和成本。而磁心材料在很大程度上決定著磁性元件的性能。本文對(duì)一些磁件常用軟磁材料的基本特性進(jìn)行了概括介紹，并進(jìn)一步總結(jié)了這些材料的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：開(kāi)關(guān)電源、高頻、磁性元件、磁心材料

Abstract:Magneticcomponentsaremajorpartsinswitch－modepowersupplythataffectitsefficiency,volumeandcost.Inmuchdegree,thecorematerialcandeterminetheperformanceofmagneticcomponents.Thepaperintroducedsomekindsofsoft－magneticmaterialsandgeneralizedtheirusageinhigh－frequencycomponents.

Keywords:Switch－modepowersupplyHigh－frequencyMagneticcomponentcorematerial

1引言

　　高頻開(kāi)關(guān)電源作為一種比較新型的直流穩(wěn)壓電源，具有效率高、體積小、重量輕等特點(diǎn)。因此在國(guó)際上受到廣泛重視，發(fā)展迅速，市場(chǎng)前景廣闊。目前，開(kāi)關(guān)電源的研究主要集中在兩個(gè)方面：一個(gè)是對(duì)小功率開(kāi)關(guān)電源，如何更大程度地提高頻率、提高效率、減小體積和成本、實(shí)現(xiàn)集成化；另一個(gè)是對(duì)大功率開(kāi)關(guān)電源，如何提高頻率、效率及可靠性。這兩個(gè)研究方向，都牽涉到開(kāi)關(guān)電源中的基本電磁器件（如圖1）的研究和開(kāi)發(fā)，而作為決定電磁器件性能、體積、效率等特性的磁心材料已被廣大研究工作者重視。隨著材料的組成及生產(chǎn)工藝的改進(jìn)，性能優(yōu)良的適于在高頻下應(yīng)用的新型材料和產(chǎn)品不斷涌現(xiàn)。本文將對(duì)一些在高頻下常用材料的性能、特點(diǎn)及其在低頻下的使用情況加以介紹，以便今后在磁件的設(shè)計(jì)、應(yīng)用過(guò)程中，根據(jù)需要選擇性能價(jià)格比更高的磁心材料。

2高頻下使用的磁心材料的特點(diǎn)

圖1開(kāi)關(guān)電源中的電磁器件

　　由圖1可以看出：開(kāi)關(guān)電源中包含有多種用途的電磁器件，本文以電源變壓器為例來(lái)說(shuō)明材料的特性。由于主電源變壓器有兩種工作情況：即雙向激磁狀態(tài)和單向激磁狀態(tài)，這里僅以雙向激磁的主變壓器為例，來(lái)敘述適于在高頻情況下工作的材料一般應(yīng)具有的特點(diǎn)。電源變壓器磁心的特征參數(shù)可以表示為：

　　SCSO=P0(1＋1/η)/KuKeBmfJ

式中：SC——磁心有效截面積（cm2）；

　　SO——磁心窗口面積（cm2）；

　　η——變壓器效率；

　　Ku——波形系數(shù)；

　　Ke——窗口填充系數(shù)；

Bm——最大工作磁通密度（T）；

f——工作頻率（Hz）；

J——電流密度（A/mm2）；

　　PO——輸出功率（W）。

　　由上式可以看出：在輸出功率一定的情況下，要減小電源變壓器的體積，即要改變相關(guān)的特征參數(shù)，可以通過(guò)提高最大磁通密度Bm、工作頻率f、窗口填充系數(shù)Ke（受設(shè)備與工藝水平的限制）、提高效率η（即降低損耗）等方法來(lái)實(shí)現(xiàn)。但是磁心的磁滯渦流

損耗都與工作頻率f和工作磁通密度Bm相關(guān)。f升高或Bm增大，損耗都會(huì)大幅度增加，致使磁心發(fā)熱嚴(yán)重，這就要求磁心材料電阻率ρ要大，以有效抑制渦流損耗。為了提高工作磁密Bm，材料的飽和磁密Bs要高，而且為了使磁件能夠在比較寬的溫度范圍內(nèi)具有良好的工作特性，磁心材料的居里溫度Tc要求比較高。作為傳輸功率的磁心材料的損耗應(yīng)該很低。我們知道：大功率、低頻下的鐵心常采用硅鋼疊片組成，硅鋼的Bs、磁導(dǎo)率、居里溫度都比較高，但電阻率ρ很低，為（10－5～10－8）Ω－m。工程上常用0.35mm和0.5mm兩種規(guī)格的硅鋼片。疊片的最小厚度決定著材料的上限工作頻率，如果要使硅鋼工作在400Hz，疊片的厚度一般為0.1～0.15mm。更薄硅鋼片的加工工藝復(fù)雜，成本較高，且受到材料性能的限制，難以實(shí)現(xiàn)，這就使硅鋼片在高頻率下的應(yīng)用受到限制。

3高頻下常用的磁性材料

3.1鐵氧體

　　鐵氧體是一種非金屬磁性材料，一般由鐵、錳、鎂、銅等金屬氧化物粉末按一定比例混合壓制成型，然后在高溫下燒結(jié)而成的。由于它的制造方法與陶瓷相似，所以又稱它為磁性瓷，在電性能上它呈半導(dǎo)體特性，外觀上它呈深灰色或黑色，硬而且脆。鐵氧體有兩個(gè)突出的特點(diǎn)：一是電阻率高，二是磁導(dǎo)率高，這使它能夠在很寬的頻率范圍內(nèi)（從kHz到MHz）廣泛應(yīng)用，而且高頻、低功率的磁心都由整塊的鐵氧體組成。從組成上分，鐵氧體可分為MnZn鐵氧體和NiZn鐵氧體，它們?cè)谛阅苌洗嬖谝欢ǖ牟町悺?/P>

　　MnZn鐵氧體的飽和磁密Bs一般為（0.2～0.35）T，電阻率為（10～103）Ω－m，居里溫度在200℃左右，磁導(dǎo)率高，相對(duì)初始磁導(dǎo)率μi可高達(dá)10000，適合于1MHz以下做變壓器和扼流圈等磁心。NiZn鐵氧體比MnZn鐵氧體電阻率更高，一般為（105～108）Ω－m，飽和磁密Bs為（0.3～0.5）T，磁導(dǎo)率比MnZn的低，居里溫度高于MnZn鐵氧體。它可用在（1～300）MHz的高頻情況，性能優(yōu)于MnZn鐵氧體。但由于我國(guó)鎳金屬含量沒(méi)有錳的含量豐富，NiZn鐵氧體的價(jià)格要比MnZn鐵氧體高很多。

　　值得注意的是：鐵氧體的溫度特性比較差，隨著溫度的升高，飽和磁密下降很明顯。另外，由于鐵氧體的飽和磁密不高（一般小于0.5T），因而它在低頻下幾乎不能使用。

3.2坡莫合金

　　坡莫合金實(shí)質(zhì)上是鐵鎳（FeNi）合金，其矯頑力很低，而飽和磁密Bs、磁導(dǎo)率和居里溫度都很高，接近于純鐵。多元坡莫合金，初始相對(duì)磁導(dǎo)率可達(dá)30000～80000，但是電阻率低，在10－7Ω－m左右，它可以被加工成極薄的薄片，所以可用在高達(dá)（20～30）kHz的工作頻率。國(guó)內(nèi)工程上常用厚度為0.02mm的坡莫合金薄帶，另外也有0.005mm厚的薄帶，但由于在磁心的卷繞過(guò)程中薄帶表面要絕緣，致使它的填充系數(shù)大大降低，因此工程上很少使用。當(dāng)應(yīng)用頻率超過(guò)30kHz以上時(shí)，由于坡莫合金的電阻率低，其損耗會(huì)明顯增加。

3.3非晶、超微晶合金軟磁材料

　　非晶態(tài)金屬與合金是70年代才問(wèn)世的新型軟磁材料，它的基礎(chǔ)元素由鐵、鎳、鈷、硅、硼、碳等組成。一般地說(shuō)：非晶態(tài)材料中，原子在空間的排列無(wú)秩序，不存在宏觀的磁各向異性，沒(méi)有晶態(tài)合金的晶粒、晶界存在，具有比晶體合金好得多的磁均勻一致性，所以它的磁化功率小、損耗很低，具有很強(qiáng)的耐腐蝕性、耐磨性，電阻率比晶態(tài)合金高2～4倍（比鐵氧體低104左右）。由于非晶態(tài)合金的結(jié)構(gòu)實(shí)質(zhì)上是液體的過(guò)冷狀態(tài)，與玻璃相似，所以也稱為金屬玻璃，把其中具有磁性的稱為磁性玻璃。非晶合金的硬度很高，是硅鋼的5倍，材料對(duì)應(yīng)力特別敏感，經(jīng)過(guò)良好的退火處理，可以使它的磁致伸縮趨于零。居里溫度Tc約為（300～600）℃。特別適合于應(yīng)用在（20～100）kHz的開(kāi)關(guān)電源磁件中。非晶材料一般可分為鐵基、鐵鎳基、鈷基和超微晶合金。這幾類(lèi)合金各有不同的特點(diǎn)，在不同的方面得到應(yīng)用。鐵基非晶具有較高的飽和磁密（1.4～1.8）T，鐵損低、成本低，可廣泛用于20kHz以下的配電變壓器、大功率開(kāi)關(guān)電源、脈沖變壓器、磁放大器、逆變器等。它代替硅鋼做配電變壓器，可以大幅度降低空載損耗和噪音，負(fù)載損耗和整體重量也會(huì)下降，可節(jié)能60～70％，而且降低了對(duì)環(huán)境的噪聲污染。目前，對(duì)非晶材料應(yīng)用于工頻配電變壓器的研究以美國(guó)和日本最為活躍，我國(guó)也在80年代中期開(kāi)展了這方面的研究和試制。西班牙Bilbao－ABBTrofodlsSA公司最近制造的三相（250～630）kVA非晶變壓器性能如表1所示：

表1非晶變壓器和硅鋼變壓器比較

　　鐵鎳基非晶合金具有中等的飽和磁密（0.7～1.2）T、低的鐵損、較高的初始磁導(dǎo)率和很高的最大磁導(dǎo)率，經(jīng)退火后可以得到很好的矩形回線，其應(yīng)用領(lǐng)域可與中鎳坡莫合金對(duì)應(yīng)，在音頻范圍的應(yīng)用比鐵氧體優(yōu)越。鐵鎳基高導(dǎo)磁非晶合金廣泛用于漏電開(kāi)關(guān)、精密電流互感器鐵心及磁屏蔽等領(lǐng)域。

　　鈷基非晶合金的飽和磁致伸縮系數(shù)為零或接近于零，因此它對(duì)應(yīng)力不敏感。它有極高的初始磁導(dǎo)率和最大磁導(dǎo)率，很低的矯頑力和高頻損耗，飽和磁密為（0.5～0.8）T，性能比鐵基非晶合金更好，但成本要比鐵基的高很多。它廣泛用于高頻開(kāi)關(guān)電源、磁放大器、脈沖變壓器，工作頻率可達(dá)200kHz，是高頻下應(yīng)用的最佳材料。但是由于非晶的電阻率比鐵氧體的小得多，所以在高頻下渦流損耗很大，要使非晶工作在更高頻率還比較困難。

　　微晶軟磁材料是利用制作非晶帶材的工藝，首先獲得非晶態(tài)材料，再經(jīng)過(guò)熱處理后獲得直徑為10～20納米的微晶，稱為超微晶材料。它具有優(yōu)異的綜合磁性能：初始磁導(dǎo)率可高達(dá)100000，飽和磁密高（1.2T），鐵損低等。與非晶相比，除Bs略低于鐵基非晶，Hc與鈷基非晶相近，其余都優(yōu)于各類(lèi)非晶。在（20～100）kHz，除具有鐵鎳合金與鐵氧體的優(yōu)勢(shì)外，還具有比鐵鎳合金更小的損耗，比鐵氧體更高的Bs和理想的熱穩(wěn)定性。工程上常用的超微晶薄帶一般為0.02mm，最高工作頻率可達(dá)500kHz。因?yàn)榫B(tài)金屬材料與非晶態(tài)材料相比，在溫度變化大、有沖擊和震動(dòng)情況下的性能穩(wěn)定，所以除一些工作環(huán)境非常惡劣的情況，或是要求性能高度穩(wěn)定的軍用場(chǎng)合，一般都可以用超微晶代替坡莫合金，超微晶的價(jià)格要比坡莫合金低。另外通過(guò)不同的生產(chǎn)工藝可以分別獲得具有高矩形系數(shù)、高脈沖磁導(dǎo)率、低剩磁等特性。因此可以說(shuō)這種材料是MHz級(jí)以下高頻開(kāi)關(guān)電源變壓器、電感器及高頻脈沖變壓器的首選材料。

　　由上可見(jiàn)：非晶、超微晶合金材料的應(yīng)用極為廣闊，已被譽(yù)為21世紀(jì)的綠色節(jié)能材料，它們的應(yīng)用前景非常光明。

3.4鐵粉心材料

　　鐵粉心材料多年來(lái)被廣泛用于射頻（RF）領(lǐng)域中，現(xiàn)在它作為恒磁通功率磁元件大量地應(yīng)用在電力電子電路中。它內(nèi)部固有的分布?xì)庀妒顾浅＿m于做各種儲(chǔ)存能量的電感。在需要?dú)庀兜那闆r下，它還可以取代鐵氧體和鐵合金疊片的應(yīng)用，作為輸出濾波電感、功率因數(shù)校正電感、連續(xù)模式的反激式電感及EMI/RFI應(yīng)用的電感鐵心，初始相對(duì)磁導(dǎo)率μi在10～100范圍內(nèi)，飽和磁通密度在（0.5～1.4）T之間，矯頑力Hc一般也不大，在（3.5～10）Oe左右。

4小結(jié)

　　把工程上常用高頻磁性材料的主要特性歸納于表2中，供電源技術(shù)人員參考。

　　表2工程常用高頻磁性材料特性對(duì)比表

　　由軟磁鐵氧體、非晶、微晶、超微晶材料制作的磁性元件是高頻電力電子技術(shù)的重要組成部分，它決定著電力電子設(shè)備的體積和效率。磁性材料的性能的高低，是影響電磁器件各項(xiàng)性能和體積的至關(guān)重要的決定因素。當(dāng)電磁器件的工作頻率要求很高時(shí)，或者要求成本較低時(shí)，應(yīng)當(dāng)選用鐵氧體材料，但要考慮到它的溫度特性的影響。非晶、微晶、超微晶等材料以其優(yōu)異的性能，在工作環(huán)境不太惡劣的情況下，完全可以替代坡莫合金的使用?？梢哉f(shuō)，高性能的磁性材料的不斷出現(xiàn)，為磁件的發(fā)展提供了有利的條件，并給原來(lái)在應(yīng)用上受到限制的一些器件提供了新的發(fā)展趨勢(shì)和應(yīng)用。了解市場(chǎng)，抓住一切有利的條件，掌握最新材料信息，開(kāi)發(fā)和變革磁性元件已成為我們的當(dāng)務(wù)之急。