发布于：2007/1/24 9:03:47 | 428 次阅读
高频开关电源作为一种比较新型的直流稳压电源，具有效率高、体积小、重量轻等特点。因此在国际上受到广泛重视，发展迅速，市场前景广阔。目前，开关电源的研究主要集中在两个方面：一个是对小功率开关电源，如何更大程度地提高频率、提高效率、减小体积和成本、实现集成化；另一个是对大功率开关电源，如何提高频率、效率及可靠性。这两个研究方向，都牵涉到开关电源中的基本电磁器件（如图1）的研究和开发，而作为决定电磁器件性能、体积、效率等特性的磁心材料已被广大研究工作者重视。随着材料的组成及生产工艺的改进，性能优良的适于在高频下应用的新型材料和产品不断涌现。本文将对一些在高频下常用材料的性能、特点及其在低频下的使用情况加以介绍，以便今后在磁件的设计、应用过程中，根据需要选择性能价格比更高的磁心材料。
2高频下使用的磁心材料的特点
图1开关电源中的电磁器件
由图1可以看出：开关电源中包含有多种用途的电磁器件，本文以电源变压器为例来说明材料的特性。由于主电源变压器有两种工作情况：即双向激磁状态和单向激磁状态，这里仅以双向激磁的主变压器为例，来叙述适于在高频情况下工作的材料一般应具有的特点。电源变压器磁心的特征参数可以表示为：
SCSO=P0(1＋1/η)/KuKeBmfJ
式中：SC——磁心有效截面积（cm2）；
SO——磁心窗口面积（cm2）；
η——变压器效率；
Ku——波形系数；
Ke——窗口填充系数；
Bm——工作磁通密度（T）；
f——工作频率（Hz）；
J——电流密度（A/mm2）；
PO——输出功率（W）。
由上式可以看出：在输出功率一定的情况下，要减小电源变压器的体积，即要改变相关的特征参数，可以通过提高磁通密度Bm、工作频率f、窗口填充系数Ke（受设备与工艺水平的限制）、提高效率η（即降低损耗）等方法来实现。但是磁心的磁滞涡流
损耗都与工作频率f和工作磁通密度Bm相关。f升高或Bm增大，损耗都会大幅度增加，致使磁心发热严重，这就要求磁心材料电阻率ρ要大，以有效抑制涡流损耗。为了提高工作磁密Bm，材料的饱和磁密Bs要高，而且为了使磁件能够在比较宽的温度范围内具有良好的工作特性，磁心材料的居里温度Tc要求比较高。作为传输功率的磁心材料的损耗应该很低。我们知道：大功率、低频下的铁心常采用硅钢叠片组成，硅钢的Bs、磁导率、居里温度都比较高，但电阻率ρ很低，为（10－5～10－8）Ω－m。工程上常用0.35mm和0.5mm两种规格的硅钢片。叠片的最小厚度决定着材料的上限工作频率，如果要使硅钢工作在400Hz，叠片的厚度一般为0.1～0.15mm。更薄硅钢片的加工工艺复杂，成本较高，且受到材料性能的限制，难以实现，这就使硅钢片在高频率下的应用受到限制。
3高频下常用的磁性材料
3.1铁氧体
铁氧体是一种非金属磁性材料，一般由铁、锰、镁、铜等金属氧化物粉末按一定比例混合压制成型，然后在高温下烧结而成的。由于它的制造方法与陶瓷相似，所以又称它为磁性瓷，在电性能上它呈半导体特性，外观上它呈深灰色或黑色，硬而且脆。铁氧体有两个突出的特点：一是电阻率高，二是磁导率高，这使它能够在很宽的频率范围内（从kHz到MHz）广泛应用，而且高频、低功率的磁心都由整块的铁氧体组成。从组成上分，铁氧体可分为MnZn铁氧体和NiZn铁氧体，它们在性能上存在一定的差异。
MnZn铁氧体的饱和磁密Bs一般为（0.2～0.35）T，电阻率为（10～103）Ω－m，居里温度在200℃左右，磁导率高，相对初始磁导率μi可高达10000，适合于1MHz以下做变压器和扼流圈等磁心。NiZn铁氧体比MnZn铁氧体电阻率更高，一般为（105～108）Ω－m，饱和磁密Bs为（0.3～0.5）T，磁导率比MnZn的低，居里温度高于MnZn铁氧体。它可用在（1～300）MHz的高频情况，性能优于MnZn铁氧体。但由于我国镍金属含量没有锰的含量丰富，NiZn铁氧体的价格要比MnZn铁氧体高很多。
值得注意的是：铁氧体的温度特性比较差，随着温度的升高，饱和磁密下降很明显。另外，由于铁氧体的饱和磁密不高（一般小于0.5T），因而它在低频下几乎不能使用。
3.2坡莫合金
坡莫合金实质上是铁镍（FeNi）合金，其矫顽力很低，而饱和磁密Bs、磁导率和居里温度都很高，接近于纯铁。多元坡莫合金，初始相对磁导率可达30000～80000，但是电阻率低，在10－7Ω－m左右，它可以被加工成极薄的薄片，所以可用在高达（20～30）kHz的工作频率。国内工程上常用厚度为0.02mm的坡莫合金薄带，另外也有0.005mm厚的薄带，但由于在磁心的卷绕过程中薄带表面要绝缘，致使它的填充系数大大降低，因此工程上很少使用。当应用频率超过30kHz以上时，由于坡莫合金的电阻率低，其损耗会明显增加。
3.3非晶、超微晶合金软磁材料
非晶态金属与合金是70年代才问世的新型软磁材料，它的基础元素由铁、镍、钴、硅、硼、碳等组成。一般地说：非晶态材料中，原子在空间的排列无秩序，不存在宏观的磁各向异性，没有晶态合金的晶粒、晶界存在，具有比晶体合金好得多的磁均匀一致性，所以它的磁化功率小、损耗很低，具有很强的耐腐蚀性、耐磨性，电阻率比晶态合金高2～4倍（比铁氧体低104左右）。由于非晶态合金的结构实质上是液体的过冷状态，与玻璃相似，所以也称为金属玻璃，把其中具有磁性的称为磁性玻璃。非晶合金的硬度很高，是硅钢的5倍，材料对应力特别敏感，经过良好的退火处理，可以使它的磁致伸缩趋于零。居里温度Tc约为（300～600）℃。特别适合于应用在（20～100）kHz的开关电源磁件中。非晶材料一般可分为铁基、铁镍基、钴基和超微晶合金。这几类合金各有不同的特点，在不同的方面得到应用。铁基非晶具有较高的饱和磁密（1.4～1.8）T，铁损低、成本低，可广泛用于20kHz以下的配电变压器、大功率开关电源、脉冲变压器、磁放大器、逆变器等。它代替硅钢做配电变压器，可以大幅度降低空载损耗和噪音，负载损耗和整体重量也会下降，可节能60～70％，而且降低了对环境的噪声污染。目前，对非晶材料应用于工频配电变压器的研究以美国和日本最为活跃，我国也在80年代中期开展了这方面的研究和试制。西班牙Bilbao－ABBTrofodlsSA公司最近制造的三相（250～630）kVA非晶变压器性能如表1所示：
表1非晶变压器和硅钢变压器比较
|
容量（kVA） |
非晶变压器 |
硅钢片变压器 | ||
|---|---|---|---|---|
|
空载损耗（W） |
负载损耗（W） |
空载损耗（W） |
负载损耗（W） | |
|
250 |
160 |
2300 |
650 |
3250 |
|
400 |
210 |
3650 |
930 |
4600 |
|
630 |
300 |
4930 |
1300 |
6500 |
铁镍基非晶合金具有中等的饱和磁密（0.7～1.2）T、低的铁损、较高的初始磁导率和很高的磁导率，经退火后可以得到很好的矩形回线，其应用领域可与中镍坡莫合金对应，在音频范围的应用比铁氧体优越。铁镍基高导磁非晶合金广泛用于漏电开关、精密电流互感器铁心及磁屏蔽等领域。
钴基非晶合金的饱和磁致伸缩系数为零或接近于零，因此它对应力不敏感。它有极高的初始磁导率和磁导率，很低的矫顽力和高频损耗，饱和磁密为（0.5～0.8）T，性能比铁基非晶合金更好，但成本要比铁基的高很多。它广泛用于高频开关电源、磁放大器、脉冲变压器，工作频率可达200kHz，是高频下应用的材料。但是由于非晶的电阻率比铁氧体的小得多，所以在高频下涡流损耗很大，要使非晶工作在更高频率还比较困难。
微晶软磁材料是利用制作非晶带材的工艺，首先获得非晶态材料，再经过热处理后获得直径为10～20纳米的微晶，称为超微晶材料。它具有优异的综合磁性能：初始磁导率可高达100000，饱和磁密高（1.2T），铁损低等。与非晶相比，除Bs略低于铁基非晶，Hc与钴基非晶相近，其余都优于各类非晶。在（20～100）kHz，除具有铁镍合金与铁氧体的优势外，还具有比铁镍合金更小的损耗，比铁氧体更高的Bs和理想的热稳定性。工程上常用的超微晶薄带一般为0.02mm，工作频率可达500kHz。因为晶态金属材料与非晶态材料相比，在温度变化大、有冲击和震动情况下的性能稳定，所以除一些工作环境非常恶劣的情况，或是要求性能高度稳定的军用场合，一般都可以用超微晶代替坡莫合金，超微晶的价格要比坡莫合金低。另外通过不同的生产工艺可以分别获得具有高矩形系数、高脉冲磁导率、低剩磁等特性。因此可以说这种材料是MHz级以下高频开关电源变压器、电感器及高频脉冲变压器的材料。
由上可见：非晶、超微晶合金材料的应用极为广阔，已被誉为21世纪的绿色节能材料，它们的应用前景非常光明。
3.4铁粉心材料
铁粉心材料多年来被广泛用于射频（RF）领域中，现在它作为恒磁通功率磁元件大量地应用在电力电子电路中。它内部固有的分布气隙使它非常适于做各种储存能量的电感。在需要气隙的情况下，它还可以取代铁氧体和铁合金叠片的应用，作为输出滤波电感、功率因数校正电感、连续模式的反激式电感及EMI/RFI应用的电感铁心，初始相对磁导率μi在10～100范围内，饱和磁通密度在（0.5～1.4）T之间，矫顽力Hc一般也不大，在（3.5～10）Oe左右。
4小结
把工程上常用高频磁性材料的主要特性归纳于表2中，供电源技术人员参考。
表2工程常用高频磁性材料特性对比表
|
材料特性 |
铁氧体 |
非晶 |
铁基超微晶 |
坡莫合金 | |||
|---|---|---|---|---|---|---|---|
|
MnZn |
NiZn |
铁基 |
铁镍基 |
钴基 | |||
|
初始相对磁导率 |
1000～10000 |
<2000 |
×104 |
×104 |
8×104 |
(8～10)×104 |
104～106 |
|
饱和磁密（T） |
0.3～0.5 |
<0.4 |
1.4～1.8 |
0.7～1.2 |
0.6～1.0 |
1.2～1.4 |
>0.75 |
|
电阻率（Ω） |
10103 |
105～108 |
(1.0～1.6)×10－4 |
(1.25～1.3)×10－4 |
(1.5～2.0)×10－4 |
(0.8～1.0)×10－4 |
10－5 |
|
居里温度（℃） |
100～300 |
100～400 |
<450 |
<300 |
300～450 |
650左右 |
560左右 |
|
应用频率范围kHz |
<100 |
100～1000 |
<100 |
<100 |
<200 |
<500 |
<30 |
由软磁铁氧体、非晶、微晶、超微晶材料制作的磁性元件是高频电力电子技术的重要组成部分，它决定着电力电子设备的体积和效率。磁性材料的性能的高低，是影响电磁器件各项性能和体积的至关重要的决定因素。当电磁器件的工作频率要求很高时，或者要求成本较低时，应当选用铁氧体材料，但要考虑到它的温度特性的影响。非晶、微晶、超微晶等材料以其优异的性能，在工作环境不太恶劣的情况下，完全可以替代坡莫合金的使用。可以说，高性能的磁性材料的不断出现，为磁件的发展提供了有利的条件，并给原来在应用上受到限制的一些器件提供了新的发展趋势和应用。了解市场，抓住一切有利的条件，掌握材料信息，开发和变革磁性元件已成为我们的当务之急。
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