新的電源鐵氧體磁心及其應(yīng)用
1引言
當(dāng)前高頻開(kāi)關(guān)電源已經(jīng)在計(jì)算機(jī)、通信及廣播電視等電子設(shè)備中得到了廣泛應(yīng)用，這種電源的主變壓器及扼流圈等均使用軟磁鐵氧體磁心。軟磁鐵氧體材料的工業(yè)生產(chǎn)已有40多年歷史，國(guó)內(nèi)生產(chǎn)企業(yè)很多，個(gè)別企業(yè)已實(shí)現(xiàn)規(guī)模生產(chǎn)，產(chǎn)品質(zhì)量已接近或達(dá)到國(guó)際水平。早期，軟磁鐵氧體主要制作弱磁場(chǎng)范圍的電感器件，80年代以后，在大磁場(chǎng)下，應(yīng)用的軟磁鐵氧體(主要是MnZn系列)產(chǎn)量不斷增長(zhǎng)。因此，80～90年代世界軟磁鐵氧體產(chǎn)量仍保持強(qiáng)勁發(fā)展的勢(shì)頭，應(yīng)首先歸功于高頻電源鐵氧體材料的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用。據(jù)估計(jì)，目前功率鐵氧體材料產(chǎn)量已占軟磁鐵氧體總量的50％左右(按重量計(jì))。
隨著電子設(shè)備的小型化和輕量化，要求電源也必須實(shí)現(xiàn)小型、薄形和輕量。提高開(kāi)關(guān)頻率是滿足上述要求的最好方法；連帶的問(wèn)題是開(kāi)發(fā)適用于更高工作頻率的新型鐵氧體材料。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外主要鐵氧體廠商致力于開(kāi)發(fā)新的功率鐵氧體材料〖1〗。國(guó)內(nèi)已經(jīng)開(kāi)發(fā)出適用于開(kāi)關(guān)頻率為100～500kHz及500kHz～1MHz的新型鐵氧體材料。此外，為適應(yīng)高頻開(kāi)關(guān)電源變壓器的設(shè)計(jì)，有人提出新的設(shè)計(jì)參數(shù)，開(kāi)發(fā)了適合高頻應(yīng)用的小型化的新型磁心尺寸系列。所有這些工作，均為高頻開(kāi)關(guān)電源的發(fā)展鋪平了道路。
2功率鐵氧體材料的技術(shù)性能及發(fā)展動(dòng)向
軟磁鐵氧體材料主要有MnZn、NiZn、MgZn系三大類。其中MnZn系鐵氧體材料有高的磁導(dǎo)率和較高的飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度，在1MHz以下有低的磁損耗，所以更適合于大功率使用。目前，功率鐵氧體材料主要應(yīng)用于高壓變壓器(如電視機(jī)行輸出變壓器)，開(kāi)關(guān)電源變壓器、扼流圈及其它變壓器（如驅(qū)動(dòng)變壓器）等，上述應(yīng)用對(duì)鐵氧體材料主要電磁特性要求可歸納以下三點(diǎn)：
（1）飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度Bs要盡可能高；
（2）磁心功率損耗Pc在實(shí)際工作頻率和工作溫度范圍（如60～100℃）要盡可能低；
（3）磁導(dǎo)率（通常指大磁場(chǎng)下振幅磁導(dǎo)率μa或交直流疊加下增量磁導(dǎo)率μ△）要適當(dāng)?shù)馗摺?/P>
附加的要求還有居里點(diǎn)要高（通常大于200℃）。對(duì)于工作頻率高于100kHz的高頻開(kāi)關(guān)電源變壓器，還要求材料電阻率高，以降低渦流損耗。
國(guó)內(nèi)功率鐵氧體材料應(yīng)用和開(kāi)發(fā)大致可分為四個(gè)階段：
第一階段，70年代到80年代中期。功率鐵氧體材料主要用作黑白或彩色電視機(jī)的行輸出變壓器，其實(shí)際工作頻率為15～100kHz，通常采用U形磁心，典型的國(guó)產(chǎn)鐵氧體材料有R1.5K、R2KD等，相當(dāng)?shù)膰?guó)外材料有日本TDK公司的H3T材料。
第二階段，80年代初到中、后期。功率鐵氧體材料在彩電和計(jì)算機(jī)開(kāi)關(guān)電源中得到大量采用，其工作頻率為20～100kHz，通常采用EE、EI、EC或ETD型磁心。典型的國(guó)產(chǎn)鐵氧體材料有R2KBD。相當(dāng)?shù)膰?guó)外材料有日本TDK公司的PC30材料。
第三階段，80年代后期到90年代初期。為了縮小電源體積和減輕重量，開(kāi)關(guān)電源工作頻率提高到100～500kHz，在此頻率范圍鐵氧體磁心的渦流損耗上升，在磁心損耗中居主要支配地位〖2〗，必須從化學(xué)成分和微觀結(jié)構(gòu)兩方面進(jìn)行改進(jìn)，提高材料電阻率。為此，開(kāi)發(fā)的國(guó)產(chǎn)鐵氧體有R2KB1材料。相當(dāng)?shù)膰?guó)外材料有日本TDK公司的PC40材料。
第四階段，90年代初期到中期，國(guó)內(nèi)外均著力開(kāi)發(fā)適用于500kHz～1MHz開(kāi)關(guān)頻率的新材料。典型的國(guó)產(chǎn)鐵氧體材料有R1.4K材料。相當(dāng)?shù)膰?guó)外材料有日本TDK公司的PC50材料（上述材料技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表1）。
關(guān)于供1MHz～3MHz開(kāi)關(guān)電源用的新鐵氧體材料，目前國(guó)外尚處于研制階段。已取得成果的報(bào)導(dǎo)有荷蘭飛利浦公司的3F4材料，可使用到3MHz；日本富士公司的7H10材料，日本東北金屬公司的B40材料，可使用到2MHz。
3開(kāi)關(guān)電源變壓器的設(shè)計(jì)應(yīng)用
圖1功率鐵氧體材料電磁特性
＊在16kHz、150mT測(cè)量
開(kāi)關(guān)電源變壓器的設(shè)計(jì)工作中，有關(guān)鐵氧體磁心的設(shè)計(jì)考慮如下參數(shù)：
（1）材料性能因子開(kāi)關(guān)電源變壓器的設(shè)計(jì)方法很多，但設(shè)計(jì)自由度受到如下限制：
1）磁心飽和限制；
2）磁心損耗限制；
3）調(diào)整度限制。
當(dāng)我們?cè)O(shè)計(jì)高頻開(kāi)關(guān)電源變壓器時(shí)，應(yīng)主要考慮磁心損耗限制。眾所周知，在高頻通密度下，磁心總損耗Pc由下式表示：
Pc=kfmBn(1)
式中，k—常數(shù)；f—頻率；B—工作磁通密度；
n—指數(shù)，對(duì)于功率鐵氧體材料，典型值為2.5；
m—指數(shù)，在f=10～100kHz時(shí)，應(yīng)考慮渦流損耗，此時(shí)m=1.3，當(dāng)頻率提高到100kHz上時(shí)，m要增大。
由上式可見(jiàn)，提高工作磁通密度，磁心損耗將以2.5次方增加，引起變壓器升溫；因此變壓器設(shè)計(jì)時(shí)，磁心損耗限制值也限定了最高工作磁通密度。同時(shí)，提高開(kāi)關(guān)頻率，磁心損耗也要相應(yīng)增加。所以在進(jìn)行變壓器設(shè)計(jì)時(shí)，磁心損耗200mW/cm3是一個(gè)適宜的限制值[3]。在規(guī)定的磁心損耗下，提高工作頻率，必須相應(yīng)降低工作磁通密度值。圖1示出飛利浦公司的三種鐵氧體材料，規(guī)定磁心損耗為200mW/cm3時(shí)磁感應(yīng)強(qiáng)度與頻率的關(guān)系曲線。對(duì)材料B、C來(lái)說(shuō)，當(dāng)開(kāi)關(guān)頻率為100kHz時(shí)，可允許的工作磁通密度為100mT；當(dāng)頻率提高到500kHz時(shí)，可允許的工作磁通密度將降低到50mT以下。改進(jìn)鐵氧體材料（如采用A材料），可提高高額下允許的工作磁通密度極限。因此，Stijntjen[3]提出了一個(gè)新的設(shè)計(jì)參數(shù)—材料因子PF200，作為變壓器允許功率的設(shè)計(jì)限制因子。這里的PF200定義為磁心材料損耗為200mW/cm3時(shí)的工作頻率f和工作磁通密度的乘積。
圖1三種材料在200mV/cm3功耗值時(shí)磁感應(yīng)強(qiáng)度
圖2是幾種鐵氧體材料性能因子PF200與頻率的關(guān)系，圖中3C85、3F3、3F4均為MnZn鐵氧體，而4F1是NiZn鐵氧體。可見(jiàn)，當(dāng)開(kāi)關(guān)頻率提高到1MHz以上時(shí)，NiZn鐵氧體可能顯示出更為優(yōu)越的性能。
圖2功率鐵氧體材料性能因子
（2）磁心尺寸考慮眾所周知，磁心有效截面積和窗口面積將直接影響變壓器的傳輸功率。德國(guó)西門子公司列出了變壓器最大傳輸功率P的表達(dá)式：
P=Cf△BJFcuSaSe(2)
式中，C—與變換器工作方式有關(guān)的常數(shù)，如推挽式C=1；單端正激式，C=0.71；單端反激式，C=0.61。
J——電流密度。Fcu——銅占因子。
Sa——窗口面積。Se——磁心有效載面積。
在西門子公司產(chǎn)品目錄中，已列出最大傳輸功率與磁心尺寸的關(guān)系曲線，圖3是一個(gè)實(shí)例。該圖表明100～200kHz工作頻率的單端正激型變換器，各種磁心尺寸與最大傳輸功率的關(guān)系。對(duì)一定尺寸的磁心來(lái)說(shuō)，提高工作頻率，可相應(yīng)地提高傳輸功率。
如采用ETD39磁心，在100kHz時(shí)可傳輸功率400W，而200kHz時(shí)傳輸功率可提高到600W。
（3）磁心形狀考慮功率變壓器磁心形狀應(yīng)考慮大電流引出線及容易散熱，對(duì)高頻變壓器還應(yīng)考慮屏蔽，防止雜散磁場(chǎng)干擾。關(guān)于磁心損耗（Pc）與溫升的關(guān)系，可用下式表示：
Pc=△T/Rth(2)
式中，△T—磁心溫升；
Rth—熱阻。
降低熱阻可提高磁心的功率承受能力；而熱阻又近似地與磁心表面積成反比。因此在磁心形狀設(shè)計(jì)中加大背部或外翼尺寸，將它變寬變薄，使暴露的鐵氧體面積增大，可以降低熱阻。
早期，電源變壓器使用的磁心形狀為EE或EI形，這類磁心制造工藝簡(jiǎn)單，成本較低，散熱好，便于大電流引出；缺點(diǎn)是方形中心柱，給線圈繞制帶來(lái)不便。現(xiàn)在，主要使用EC或ETD鐵氧體磁心，這類磁心中心柱改為園形，由于園形繞組線長(zhǎng)比方形繞組縮短11％，從而降低了線圈銅損。為了適應(yīng)高頻電源變壓器的發(fā)展，最近國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)已擴(kuò)展了ETD磁心尺寸系列（由四種擴(kuò)展為九種），具體尺寸為ETD19、24、29、34、39、44、49、54、59。一種新的PQ型磁心，因?yàn)楸巢棵娣e較大，更有利于散熱，最近在電源變壓器方面已獲得應(yīng)用。此外，PM或RM型磁心，也可用于高頻變換器，因?yàn)檫@種磁心有良好的屏蔽和大的出線槽口，有人指出，EE42磁心雜散磁場(chǎng)要比RM型磁心高5倍。對(duì)高于1MHz的諧振式變壓器，為了使熱阻最小，需要一種具有最大暴露表面的扁薄形磁心形狀，已有報(bào)道采用LP23/8磁心〖4〗，制成最高工作頻率1MHz的低漏感的100W功率變壓器。
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