高频磁性元件的磁心材料

摘要：高频磁性元件作为开关电源的重要组成部分，直接影响着开关电源的效率、体积和成本。而磁心材料在很大程度上决定着磁性元件的性能。本文对一些磁件常用软磁材料的基本特性进行了概括介绍，并进一步总结了这些材料的应用。
关键词：开关电源、高频、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）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

开关电源中的电磁器件
由可以看出：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

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

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。
参考文献
1《磁路及带铁心电路》，龚绍文编，高等教育出版社，1988年4月。
2《磁性材料》，黄永杰主编，电子工业出版社，1994年9月.
3M.Yagi,“VerylowlossultrathinCo－basedamorphousribboncores”,1988AmericaninstitureofPhysics，p6050－6052.
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5“PRODUCT,CAPABILITYANDSERVICE”,MMG－NorthAmerica1995
6MICROMETALSIronPowderCores,“powerconversion＆linefilterapplications”,ISSUE1,FEBRUARY1998
7王红霞，“发展迅速的非晶合金软磁材料”，《电子材料》，1997年第2期，P72～83
8 cm2 datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/cm2_2328723.html.
9 MMG datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/MMG_2426949.html.
作者简介
李智华 女 72年9月生，现为福州大学电气工程系在读博士生，主要进行电力电子及高频性元件的研究，已在相关学术刊物上发表论文7篇。