名稱:高頻磁性元件的磁心材料 摘要：高頻磁性元件作為開關電源的重要組成部分，直接影響著開關電源的效率、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。本文對一些磁件常用軟磁材料的基本特性進行了概括介紹，並進一步總結了這些材料的應用。 關鍵詞：開關電源、高頻、磁性元件、磁心材料 Abstract:Magnetic components are major parts in switch－mode powersupply that affectits efficiency,volume and cost.In much degree,the core material can determine the performance of magnetic components.The paper introduced some kinds of soft－magnetic materials and generalized their usage in high－frequency components. Keywords:Switch－mode power supply High－frequency Magnetic component core material 1引言 高頻開關電源作為一種比較新型的直流穩壓電源，具有效率高、體積孝重量輕等特點。因此在國際上受到廣泛重視，發展迅速，市場前景廣闊。目前，開關電源的研究主要集中在兩個方面：一個是對小功率開關電源，如何更大程度地提高頻率、提高效率、減小體積和成本、實現集成化；另一個是對大功率開關電源，如何提高頻率、效率及可靠性。這兩個研究方向，都牽涉到開關電源中的基本電磁器件（如圖1）的研究和開發，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工藝的改進，性能優良的適於在高頻下應用的新型材料和產品不斷湧現。本文將對一些在高頻下常用材料的性能、特點及其在低頻下的使用情況加以介紹，以便今後在磁件的設計、應用過程中，根據需要選擇性能價格比更高的磁心材料。 2高頻下使用的磁心材料的特點 圖1開關電源中的電磁器件 由圖1可以看出：開關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說明材料的特性。由於主電源變壓器有兩種工作情況：即雙向激磁狀態和單向激磁狀態，這裡僅以雙向激磁的主變壓器為例，來敘述適於在高頻情況下工作的材料一般應具有的特點。電源變壓器磁心的特徵參數可以表示為： 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——波形係數； Ke——窗口填充係數； 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，即要改變相關的特徵參數，可以通過提高最大磁通密度Bm、工作頻率f、窗口填充係數Ke（受設備與工藝水平的限制）、提高效率η（即降低損耗）等方法來實現。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。f升高或Bm增大，損耗都會大幅度增加，致使磁心發熱嚴重，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範圍內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該很低。我們知道：大功率、低頻下的鐵心常採用硅鋼疊片組成，硅鋼的Bs、磁導率、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複雜，成本較高，且受到材料性能的限制，難以實現，這就使硅鋼片在高頻率下的應用受到限制。 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製成型，然後在高溫下燒結而成的。由於它的製造方法與陶瓷相似，所以又稱它為磁性瓷，在電性能上它呈半導體特性，外觀上它呈深灰色或黑色，硬而且脆。鐵氧體有兩個突出的特點：一是電阻率高，二是磁導率高，這使它能夠在很寬的頻率範圍內（從kHz到MHz）廣泛應用，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，它們在性能上存在一定的差異。 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，磁導率高，相對初始磁導率μi可高達10000，適合於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，磁導率比MnZn的低，居里溫度高於MnZn鐵氧體。它可用在（1～300）MHz的高頻情況，性能優於MnZn鐵氧體。但由於我國鎳金屬含量沒有錳的含量豐富，NiZn鐵氧體的價格要比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，由於鐵氧體的飽和磁密不高（一般小於0.5T），因而它在低頻下幾乎不能使用。 3.2坡莫合金 坡莫合金實質上是鐵鎳（FeNi）合金，其矯頑力很低，而飽和磁密Bs、磁導率和居里溫度都很高，接近於純鐵。多元坡莫合金，初始相對磁導率可達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（20～30）kHz的工作頻率。國內工程上常用厚度為0.02mm的坡莫合金薄帶，另外也有0.005mm厚的薄帶，但由於在磁心的卷繞過程中薄帶表面要絕緣，致使它的填充係數大大降低，因此工程上很少使用。當應用頻率超過30kHz以上時，由於坡莫合金的電阻率低，其損耗會明顯增加。 3.3非晶、超微晶合金軟磁材料 非晶態金屬與合金是70年代才問世的新型軟磁材料，它的基礎元素由鐵、鎳、鈷、硅、硼、碳等組成。一般地說：非晶態材料中，原子在空間的排列無秩序，不存在宏觀的磁各向異性，沒有晶態合金的晶粒、晶界存在，具有比晶體合金好得多的磁均勻一致性，所以它的磁化功率孝損耗很低，具有很強的耐腐蝕性、耐磨性，電阻率比晶態合金高2～4倍（比鐵氧體低104左右）。由於非晶態合金的結構實質上是液體的過冷狀態，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，材料對應力特別敏感，經過良好的退火處理，可以使它的磁致伸縮趨於零。居里溫度Tc約為（300～600）℃。特別適合於應用在（20～100）kHz的開關電源磁件中。非晶材料一般可分為鐵基、鐵鎳基、鈷基和超微晶合金。這幾類合金各有不同的特點，在不同的方面得到應用。鐵基非晶具有較高的飽和磁密（1.4～1.8）T，鐵損低、成本低，可廣泛用於20kHz以下的配電變壓器、大功率開關電源、脈衝變壓器、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，負載損耗和整體重量也會下降，可節能60～70％，而且降低了對環境的雜訊污染。目前，對非晶材料應用於工頻配電變壓器的研究以美國和日本最為活躍，我國也在80年代中期開展了這方面的研究和試製。西班牙Bilbao－ABBTrofodlsSA公司最近製造的三相（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、較高的初始磁導率和很高的最大磁導率，經退火后可以得到很好的矩形回線，其應用領域可與中鎳坡莫合金對應，在音頻範圍的應用比鐵氧體優越。鐵鎳基高導磁非晶合金廣泛用於漏電開關、精密電流互感器鐵心及磁屏蔽等領域。 鈷基非晶合金的飽和磁致伸縮係數為零或接近於零，因此它對應力不敏感。它有極高的初始磁導率和最大磁導率，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。它廣泛用於高頻開關電源、磁放大器、脈衝變壓器，工作頻率可達200kHz，是高頻下應用的最佳材料。但是由於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製作非晶帶材的工藝，首先獲得非晶態材料，再經過熱處理后獲得直徑為10～20納米的微晶，稱為超微晶材料。它具有優異的綜合磁性能：初始磁導率可高達100000，飽和磁密高（1.2T），鐵損低等。與非晶相比，除Bs略低於鐵基非晶，Hc與鈷基非晶相近，其餘都優於各類非晶。在（20～100）kHz，除具有鐵鎳合金與鐵氧體的優勢外，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500kHz。因為晶態金屬材料與非晶態材料相比，在溫度變化大、有衝擊和震動情況下的性能穩定，所以除一些工作環境非常惡劣的情況，或是要求性能高度穩定的軍用場合，一般都可以用超微晶代替坡莫合金，超微晶的價格要比坡莫合金低。另外通過不同的生產工藝可以分別獲得具有高矩形係數、高脈衝磁導率、低剩磁等特性。因此可以說這種材料是MHz級以下高頻開關電源變壓器、電感器及高頻脈衝變壓器的首選材料。 由上可見：非晶、超微晶合金材料的應用極為廣闊，已被譽為21世紀的綠色節能材料，它們的應用前景非常光明。 3.4鐵粉心材料 鐵粉心材料多年來被廣泛用於射頻（RF）領域中，現在它作為恆磁通功率磁元件大量地應用在電力電子電路中。它內部固有的分佈氣隙使它非常適於做各種儲存能量的電感。在需要氣隙的情況下，它還可以取代鐵氧體和鐵合金疊片的應用，作為輸出濾波電感、功率因數校正電感、連續模式的反激式電感及EMI/RFI應用的電感鐵心，初始相對磁導率μi在10～100範圍內，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 把工程上常用高頻磁性材料的主要特性歸納於表2中，供電源技術人員參考。 表2工程常用高頻磁性材料特性對比表 由軟磁鐵氧體、非晶、微晶、超微晶材料製作的磁性元件是高頻電力電子技術的重要組成部分，它決定著電力電子設備的體積和效率。磁性材料的性能的高低，是影響電磁器件各項性能和體積的至關重要的決定因素。當電磁器件的工作頻率要求很高時，或者要求成本較低時，應當選用鐵氧體材料，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異的性能，在工作環境不太惡劣的情況下，完全可以替代坡莫合金的使用。可以說，高性能的磁性材料的不斷出現，為磁件的發展提供了有利的條件，並給原來在應用上受到限制的一些器件提供了新的發展趨勢和應用。了解市場，抓住一切有利的條件，掌握最新材料信息，開發和變革磁性元件已成為我們的當務之急。 參考文獻 1《磁路及帶鐵心電路》，龔紹文編，高等教育出版社，1988年4月。 2《磁性材料》，黃永傑主編，電子工業出版社，1994年9月。 3M.Yagi,「VerylowlossultrathinCo－basedamorphousribboncores」，1988AmericaninstitureofPhysics，p6050－6052. 4「Fair－RiteSoftFerrites」，Fair－RiteProductsCorp1996. 5「PRODUCT,CAPABILITYANDSERVICE」，MMG－NorthAmerica1995 6MICROMETALSIronPowderCores,「powerconversion＆linefilterapplications」，ISSUE1,FEBRUARY1998 7王紅霞，「發展迅速的非晶合金軟磁材料」，《電子材料》，1997年第2期，P72～83 作者簡介 李智華女 72年9月生，現為福州大學電氣工程系在讀博士生，主要進行電力電子及高頻性元件的研究，已在相關學術刊物上發表論文7篇。
