高頻磁性元件的磁心材料

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概述
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……
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.
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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。


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