大功率DCDC用高頻變壓器的優(yōu)化設(shè)計

大功率DCDC用高頻變壓器的優(yōu)化設(shè)計,大功率,dcdc,高頻變壓器,優(yōu)化,設(shè)計 磁芯 磁性材料 一. 磁性材料的基本特性 1. 磁性材料的磁化曲線 磁性材料是由鐵磁性物質(zhì)或亞鐵磁性物質(zhì)組成的，在外加磁場H 作用下，必有相應(yīng)的磁化強度M 或磁感應(yīng)強度B，它們隨磁場強度H 的變化曲線稱為磁化曲線（M～H或B～H曲線）。磁化曲線一般來說是非線性的，具有2個特點：磁飽和現(xiàn)象及磁滯現(xiàn)象。即當(dāng)磁場強度H足夠大時，磁化強度M達到一個確定的飽和值Ms，繼續(xù)增大H，Ms保持不變；以及當(dāng)材料的M值達到飽和后，外磁場H降低為零時，M并不恢復(fù)為零，而是沿MsMr曲線變化。材料的工作狀態(tài)相當(dāng)于M～H曲線或B～H曲線上的某一點，該點常稱為工作點。 2. 軟磁材料的常用磁性能參數(shù) 飽和磁感應(yīng)強度Bs：其大小取決于材料的成分，它所對應(yīng)的物理狀態(tài)是材料內(nèi)部的磁化矢量整齊排列。 剩余磁感應(yīng)強度Br：是磁滯回線上的特征參數(shù)，H回到0時的B值。 矩形比：Br∕Bs 矯頑力Hc：是表示材料磁化難易程度的量，取決于材料的成分及缺陷（雜質(zhì)、應(yīng)力等）。 磁導(dǎo)率μ：是磁滯回線上任何點所對應(yīng)的B與H的比值，與器件工作狀態(tài)密切相關(guān)。 初始磁導(dǎo)率μi、最大磁導(dǎo)率μm、微分磁導(dǎo)率μd、振幅磁導(dǎo)率μa、有效磁導(dǎo)率μe、脈沖磁導(dǎo)率μp。 居里溫度Tc：鐵磁物質(zhì)的磁化強度隨溫度升高而下降，達到某一溫度時，自發(fā)磁化消失，轉(zhuǎn)變?yōu)轫槾判裕撆R界溫度為居里溫度。它確定了磁性器件工作的上限溫度。 損耗P：磁滯損耗Ph及渦流損耗Pe P = Ph + Pe = af + bf2+ c Pe ∝ f2 t2 / ，ρ 降低， 磁滯損耗Ph的方法是降低矯頑力Hc；降低渦流損耗Pe 的方法是減薄磁性材料的厚度t 及提高材料的電阻率ρ。在自由靜止空氣中磁芯的損耗與磁芯的溫升關(guān)系為： 總功率耗散（mW）/表面積（cm2） 3. 軟磁材料的磁性參數(shù)與器件的電氣參數(shù)之間的轉(zhuǎn)換 在設(shè)計軟磁器件時，首先要根據(jù)電路的要求確定器件的電壓～電流特性。器件的電壓～電流特性與磁芯的幾何形狀及磁化狀態(tài)密切相關(guān)。設(shè)計者必須熟悉材料的磁化過程并拿握材料的磁性參數(shù)與器件電氣參數(shù)的轉(zhuǎn)換關(guān)系。設(shè)計軟磁器件通常包括三個步驟：正確選用磁性材料；合理確定磁芯的幾何形狀及尺寸；根據(jù)磁性參數(shù)要求，模擬磁芯的工作狀態(tài)得到相應(yīng)的電氣參數(shù)。 二、軟磁材料的發(fā)展及種類 1. 軟磁材料的發(fā)展 軟磁材料在工業(yè)中的應(yīng)用始于19世紀末。隨著電力工及電訊技術(shù)的興起，開始使用低碳鋼制造電機和變壓器，在電話線路中的電感線圈的磁芯中使用了細小的鐵粉、氧化鐵、細鐵絲等。到20世紀初，研制出了硅鋼片代替低碳鋼，提高了變壓器的效率，降低了損耗。直至現(xiàn)在硅鋼片在電力工業(yè)用軟磁材料中仍居首位。到20年代，無線電技術(shù)的興起，促進了高導(dǎo)磁材料的發(fā)展，出現(xiàn)了坡莫合金及坡莫合金磁粉芯等。從40年代到60年代，是科學(xué)技術(shù)飛速發(fā)展的時期，雷達、電視廣播、集成電路的發(fā)明等，對軟磁材料的要求也更高，生產(chǎn)出了軟磁合金薄帶及軟磁鐵氧體材料。進入70年代，隨著電訊、自動控制、計算機等行業(yè)的發(fā)展，研制出了磁頭用軟磁合金，除了傳統(tǒng)的晶態(tài)軟磁合金外，又興起了另一類材料—非晶態(tài)軟磁合金。 2. 常用軟磁磁芯的種類 鐵、鈷、鎳三種鐵磁性元素是構(gòu)成磁性材料的基本組元。 按（主要成分、磁性特點、結(jié)構(gòu)特點）制品形態(tài)分類： (1) 粉芯類： 磁粉芯，包括：鐵粉芯、鐵硅鋁粉芯、高磁通量粉芯（High Flux）、坡莫合金粉芯（MPP）、鐵氧體磁芯 (2) 帶繞鐵芯：硅鋼片、坡莫合金、非晶及納米晶合金 三 常用軟磁磁芯的特點及應(yīng)用 (一) 粉芯類 1. 磁粉芯 磁粉芯是由鐵磁性粉粒與絕緣介質(zhì)混合壓制而成的一種軟磁材料。由于鐵磁性顆粒很小（高頻下使用的為0.5～5 微米），又被非磁性電絕緣膜物質(zhì)隔開，因此，一方面可以隔絕渦流，材料適用于較高頻率；另一方面由于顆粒之間的間隙效應(yīng)，導(dǎo)致材料具有低導(dǎo)磁率及恒導(dǎo)磁特性；又由于顆粒尺寸小，基本上不發(fā)生集膚現(xiàn)象，磁導(dǎo)率隨頻率的變化也就較為穩(wěn)定。主要用于高頻電感。磁粉芯的磁電性能主要取決于粉粒材料的導(dǎo)磁率、粉粒的大小和形狀、它們的填充系數(shù)、絕緣介質(zhì)的含量、成型壓力及熱處理工藝等。 常用的磁粉芯有鐵粉芯、坡莫合金粉芯及鐵硅鋁粉芯三種。 磁芯的有效磁導(dǎo)率μe及電感的計算公式為： μe = DL/4N2S × 109 其中：D 為磁芯平均直徑（cm），L為電感量（享），N 為繞線匝數(shù)，S為磁芯有效截面積（cm2）。 (1) 鐵粉芯 常用鐵粉芯是由碳基鐵磁粉及樹脂碳基鐵磁粉構(gòu)成。在粉芯中價格最低。飽和磁感應(yīng)強度值在1.4T左右；磁導(dǎo)率范圍從22～100；初始磁導(dǎo)率μi隨頻率的變化穩(wěn)定性好；直流電流疊加性能好；但高頻下?lián)p耗高。 鐵粉芯初始磁導(dǎo)率隨直流磁場強度的變化 鐵粉芯初始磁導(dǎo)率隨頻率的變化 (2). 坡莫合金粉芯 坡莫合金粉芯主要有鉬坡莫合金粉芯（MPP）及高磁通量粉芯（High Flux）。 MPP 是由81%Ni、2%Mo及Fe粉構(gòu)成。主要特點是：飽和磁感應(yīng)強度值在7500Gs左右；磁導(dǎo)率范圍大，從14～550；在粉末磁芯中具有最低的損耗；溫度穩(wěn)定性極佳，廣泛用于太空設(shè)備、露天設(shè)備等；磁致伸縮系數(shù)接近零，在不同的頻率下工作時無噪聲產(chǎn)生。主要應(yīng)用于300kHz以下的高品質(zhì)因素Q濾波器、感應(yīng)負載線圈、諧振電路、在對溫度穩(wěn)定性要求高的LC電路上常用、輸出電感、功率因素補償電路等, 在AC電路中常用, 粉芯中價格最貴。 高磁通粉芯HF是由50%Ni、50%Fe粉構(gòu)成。主要特點是：飽和磁感應(yīng)強度值在15000Gs 左右；磁導(dǎo)率范圍從14～160；在粉末磁芯中具有最高的磁感應(yīng)強度，最高的直流偏壓能力；磁芯體積小。主要應(yīng)用于線路濾波器、交流電感、輸出電感、功率因素校正電路等, 在DC 電路中常用，高DC 偏壓、高直流電和低交流電上用得多。價格低于MPP。 (3) 鐵硅鋁粉芯（Kool Mμ Cores） 鐵硅鋁粉芯由9%Al、5%Si, 85%Fe粉構(gòu)成。主要是替代鐵粉芯，損耗比鐵粉芯低80%，可在8kHz以上頻率下使用；飽和磁感在1.05T 左右；導(dǎo)磁率從26～125；磁致伸縮系數(shù)接近0，在不同的頻率下工作時無噪聲產(chǎn)生；比MPP有更高的DC偏壓能力；具有最佳的性能價格比。主要應(yīng)用于交流電感、輸出電感、線路濾波器、功率因素校正電路等。有時也替代有氣隙鐵氧體作變壓器鐵芯使用。 2. 軟磁鐵氧體（Ferrites） 軟磁鐵氧體是以Fe2O3為主成分的亞鐵磁性氧化物，采用粉末冶金方法生產(chǎn)。有Mn-Zn、Cu-Zn、Ni-Zn等幾類，其中Mn-Zn鐵氧體的產(chǎn)量和用量最大，Mn-Zn鐵氧體的電阻率低，為1～10 歐姆-米，一般在100kHZ 以下的頻率使用。Cu-Zn、Ni-Zn鐵氧體的電阻率為102～104 歐姆-米，在100kHz～10 兆赫的無線電頻段的損耗小，多用在無線電用天線線圈、無線電中頻變壓器。磁芯形狀種類豐富，有E、I、U、EC、ETD形、方形（RM、EP、PQ）、罐形（PC、RS、DS）及圓形等。在應(yīng)用上很方便。由于軟磁鐵氧體不使用鎳等稀缺材料也能得到高磁導(dǎo)率，粉末冶金方法又適宜于大批量生產(chǎn)，因此成本低，又因為是燒結(jié)物硬度大、對應(yīng)力不敏感，在應(yīng)用上很方便。而且磁導(dǎo)率隨頻率的變化特性穩(wěn)定，在150kHz以下基本保持不變。隨著軟磁鐵氧體的出現(xiàn)，磁粉芯的生產(chǎn)大大減少了，很多原來使用磁粉芯的地方均被軟磁鐵氧體所代替。 國內(nèi)外鐵氧體的生產(chǎn)廠家很多，在此僅以美國的Magnetics公司生產(chǎn)的Mn-Zn鐵氧體為例介紹其應(yīng)用狀況。分為三類基本材料：電信用基本材料、寬帶及EMI材料、功率型材料。 電信用鐵氧體的磁導(dǎo)率從750～2300, 具有低損耗因子、高品質(zhì)因素Q、穩(wěn)定的磁導(dǎo)率隨溫度/時間關(guān)系, 是磁導(dǎo)率在工作中下降最慢的一種，約每10年下降3%～4%。廣泛應(yīng)用于高Q濾波器、調(diào)諧濾波器、負載線圈、阻抗匹配變壓器、接近傳感器。寬帶鐵氧體也就是常說的高導(dǎo)磁率鐵氧體，磁導(dǎo)率分別有5000、10000、15000。其特性為具有低損耗因子、高磁導(dǎo)率、高阻抗/頻率特性。廣泛應(yīng)用于共模濾波器、飽和電感、電流互感器、漏電保護器、絕緣變壓器、信號及脈沖變壓器，在寬帶變壓器和EMI上多用。功率鐵氧體具有高的飽和磁感應(yīng)強度，為4000～5000Gs。另外具有低損耗/頻率關(guān)系和低損耗/溫度關(guān)系。也就是說，隨頻率增大、損耗上升不大；隨溫度提高、損耗變化不大。廣泛應(yīng)用于功率扼流圈、并列式濾波器、開關(guān)電源變壓器、開關(guān)電源電感、功率因素校正電路。 (二) 帶繞鐵芯 1. 硅鋼片鐵芯 硅鋼片是一種合金，在純鐵中加入少量的硅（一般在4.5%以下）形成的鐵硅系合金稱為硅鋼。該類鐵芯具有最高的飽和磁感應(yīng)強度值為20000Gs；由于它們具有較好的磁電性能，又易于大批生產(chǎn)，價格便宜，機械應(yīng)力影響小等優(yōu)點，在電力電子行業(yè)中獲得極為廣泛的應(yīng)用，如電力變壓器、配電變壓器、電流互感器等鐵芯。是軟磁材料中產(chǎn)量和使用量最大的材料。也是電源變壓器用磁性材料中用量最大的材料。特別是在低頻、大功率下最為適用。常用的有冷軋硅鋼薄板DG3、冷軋無取向電工鋼帶DW、冷軋取向電工鋼帶DQ，適用于各類電子系統(tǒng)、家用電器中的中、小功率低頻變壓器和扼流圈、電抗器、電感器鐵芯，這類合金韌性好，可以沖片、切割等加工，鐵芯有疊片式及卷繞式。但高頻下?lián)p耗急劇增加，一般使用頻率不超過400Hz。從應(yīng)用角度看，對硅鋼的選擇要考慮兩方面的因素：磁性和成本。對小型電機、電抗器和繼電器，可選純鐵或低硅鋼片；對于大型電機，可選高硅熱軋硅鋼片、單取向或無取向冷軋硅鋼片；對變壓器常選用單取向冷軋硅鋼片。在工頻下使用時，常用帶材的厚度為0.2~0.35毫米；在400Hz下使用時，常選0.1毫米厚度為宜。厚度越薄，價格越高。 2. 坡莫合金 坡莫合金常指鐵鎳系合金，鎳含量在30~90%范圍內(nèi)。是應(yīng)用非常廣泛的軟磁合金。通過適當(dāng)?shù)墓に?，可以有效地控制磁性能，比如超過105的初始磁導(dǎo)率、超過106的最大磁導(dǎo)率、低到2‰奧斯特的矯頑力、接近1或接近0的矩形系數(shù)，具有面心立方晶體結(jié)構(gòu)的坡莫合金具有很好的塑性，可以加工成1μm的超薄帶及各種使用形態(tài)。常用的合金有1J50、1J79、1J85等。1J50 的飽和磁感應(yīng)強度比硅鋼稍低一些，但磁導(dǎo)率比硅鋼高幾十倍，鐵損也比硅鋼低2~3倍。做成較高頻率(400~8000Hz)的變壓器，空載電流小，適合制作100W以下小型較高頻率變壓器。1J79 具有好的綜合性能，適用于高頻低電壓變壓器，漏電保護開關(guān)鐵芯、共模電感鐵芯及電流互感器鐵芯。1J85 的初始磁導(dǎo)率可達十萬105以上，適合于作弱信號的低頻或高頻輸入輸出變壓器、共模電感及高精度電流互感器等。 3. 非晶及納米晶軟磁合金（Amorphous and Nanocrystalline alloys） 硅鋼和坡莫合金軟磁材料都是晶態(tài)材料，原子在三維空間做規(guī)則排列，形成周期性的點陣結(jié)構(gòu)，存在著晶粒、晶界、位錯、間隙原子、磁晶各向異性等缺陷，對軟磁性能不利。從磁性物理學(xué)上來說，原子不規(guī)則排列、不存在周期性和晶粒晶界的非晶態(tài)結(jié)構(gòu)對獲得優(yōu)異軟磁性能是十分理想的。非晶態(tài)金屬與合金是70年代問世的一個新型材料領(lǐng)域。它的制備技術(shù)完全不同于傳統(tǒng)的方法，而是采用了冷卻速度大約為每秒一百萬度的超急冷凝固技術(shù)，從鋼液到薄帶成品一次成型，比一般冷軋金屬薄帶制造工藝減少了許多中間工序，這種新工藝被人們稱之為對傳統(tǒng)冶金工藝的一項革命。由于超急冷凝固，合金凝固時原子來不及有序排列結(jié)晶，得到的固態(tài)合金是長程無序結(jié)構(gòu)，沒有晶態(tài)合金的晶粒、晶界存在，稱之為非晶合金，被稱為是冶金材料學(xué)的一項革命。這種非晶合金具有許多獨特的性能，如優(yōu)異的磁性、耐蝕性、耐磨性、高的強度、硬度和韌性，高的電阻率和機電耦合性能等。由于它的性能優(yōu)異、工藝簡單，從80年代開始成為國內(nèi)外材料科學(xué)界的研究開發(fā)重點。目前美、日、德國已具有完善的生產(chǎn)規(guī)模，并且大量的非晶合金產(chǎn)品逐漸取代硅鋼和坡莫合金及鐵氧體涌向市場。 我國自從70年代開始了非晶態(tài)合金的研究及開發(fā)工作，經(jīng)過“六五”、“七五”、“八五”期間的重大科技攻關(guān)項目的完成，共取得科研成果134項，國家發(fā)明獎2項，獲專利16項，已有近百個合金品種。鋼鐵研究總院現(xiàn)具有4條非晶合金帶材生產(chǎn)線、一條非晶合金元器件鐵芯生產(chǎn)線。生產(chǎn)各種定型的鐵基、鐵鎳基、鈷基和納米晶帶材及鐵芯，適用于逆變電源、開關(guān)電源、電源變壓器、漏電保護器、電感器的鐵芯元件，年產(chǎn)值近2000萬元?！熬盼濉闭诮⑶嵓夎F基非晶生產(chǎn)線，進入國際先進水平行列。 目前，非晶軟磁合金所達到的最好單項性能水平為： 初始磁導(dǎo)率 μo = 14 × 104 鈷基非晶最大磁導(dǎo)率 μm= 220 × 104 鈷基非晶矯頑力 Hc = 0.001 Oe 鈷基非晶矩形比 Br/Bs = 0.995 鈷基非晶飽和磁化強度 4πMs = 18300Gs 鐵基非晶電阻率 ρ= 270μΩ/cm 常用的非晶合金的種類有：鐵基、鐵鎳基、鈷基非晶合金以及鐵基納米晶合金。其國家牌號及性能特點見表及圖所示，為便于對比，也列出晶態(tài)合金硅鋼片、坡莫合金1J79 及鐵氧體的相應(yīng)性能。這幾類材料各有不同的特點，在不同的方面得到應(yīng)用。 牌號基本成分和特征： 1K101 Fe-Si-B 系快淬軟磁鐵基合金 1K102 Fe-Si-B-C 系快淬軟磁鐵基合金 1K103 Fe-Si-B-Ni 系快淬軟磁鐵基合金 1K104 Fe-Si-B-Ni Mo 系快淬軟磁鐵基合金 1K105 Fe-Si-B-Cr(及其他元素)系快淬軟磁鐵基合金 1K106 高頻低損耗Fe-Si-B 系快淬軟磁鐵基合金 1K107 高頻低損耗Fe-Nb-Cu-Si-B 系快淬軟磁鐵基納米晶合金 1K201 高脈沖磁導(dǎo)率快淬軟磁鈷基合金 1K202 高剩磁比快淬軟磁鈷基合金 1K203 高磁感低損耗快淬軟磁鈷基合金 1K204 高頻低損耗快淬軟磁鈷基合金 1K205 高起始磁導(dǎo)率快淬軟磁鈷基合金 1K206 淬態(tài)高磁導(dǎo)率軟磁鈷基合金 1K501 Fe-Ni-P-B 系快淬軟磁鐵鎳基合金 1K502 Fe-Ni-V-Si-B 系快淬軟磁鐵鎳基合金 400Hz: 硅鋼鐵芯 非晶鐵芯 功率(W) 45 45 鐵芯損耗(W) 2.4 1.3 激磁功率(VA) 6.1 1.3 總重量(g) 295 276 （1）鐵基非晶合金(Fe-based amorphous alloys) 鐵基非晶合金是由80%Fe及20%Si,B類金屬元素所構(gòu)成,它具有高飽和磁感應(yīng)強度（1.54T），鐵基非晶合金與硅鋼的損耗比較 磁導(dǎo)率、激磁電流和鐵損等各方面都優(yōu)于硅鋼片的特點，特別是鐵損低（為取向硅鋼片的1/3－1/5），代替硅鋼做配電變壓器可節(jié)能60－70％。鐵基非晶合金的帶材厚度為0.03mm左右，廣泛應(yīng)用于配電變壓器、大功率開關(guān)電源、脈沖變壓器、磁放大器、中頻變壓器及逆變器鐵芯, 適合于10kHz 以下頻率使用 2）鐵鎳基、鈷基非晶合金(Fe-Ni based-amorphous alloy) 鐵鎳基非晶合金是由40%Ni、40%Fe及20%類金屬元素所構(gòu)成，它具有中等飽和磁感應(yīng)強度〔0.8T〕、較高的初始磁導(dǎo)率和很高的最大磁導(dǎo)率以及高的機械強度和優(yōu)良的韌性。在中、低頻率下具有低的鐵損?？諝庵袩崽幚聿话l(fā)生氧化，經(jīng)磁場退火后可得到很好的矩形回線。價格比1J79便宜30－50％。鐵鎳基非晶合金的應(yīng)用范圍與中鎳坡莫合金相對應(yīng), 但鐵損和高的機械強度遠比晶態(tài)合金優(yōu)越；代替1J79，廣泛用于漏電開關(guān)、精密電流互感器鐵芯、磁屏蔽等。鐵鎳基非晶合金是國內(nèi)開發(fā)最早，也是目前國內(nèi)非晶合金中應(yīng)用量最大的非晶品種，年產(chǎn)量近200噸左右.空氣中熱處理不發(fā)生氧化鐵鎳基非晶合金（ 1K503） 獲得國家發(fā)明專利和美國專利權(quán)。 (4) 鐵基納米晶合金（Nanocrystalline alloy） 鐵基納米晶合金是由鐵元素為主，加入少量的Nb、Cu、Si、B元素所構(gòu)成的合金經(jīng)快速凝固工藝所形成的一種非晶態(tài)材料，這種非晶態(tài)材料經(jīng)熱處理后可獲得直徑為10－20 nm的微晶,彌散分布在非晶態(tài)的基體上，被稱為微晶、納米晶材料或納米晶材料。納米晶材料具有優(yōu)異的綜合磁性能：高飽和磁感(1.2T)、高初始磁導(dǎo)率(8×104)、低Hc(0.32A/M), 高磁感下的高頻損耗低（P0.5T／20kHz＝30W/kg），電阻率為80μΩ/cm，比坡莫合金(50-60μΩ/cm)高, 經(jīng)縱向或橫向磁場處理，可得到高Br(0.9)或低Br 值(1000Gs)。是目前市場上綜合性能最好的材料；適用頻率范圍：50Hz-100kHz，最佳頻率范圍：20kHz-50kHz。廣泛應(yīng)用于大功率開關(guān)電源、逆變電源、磁放大器、高頻變壓器、高頻變換器、高頻扼流圈鐵芯、電流互感器鐵芯、漏電保護開關(guān)、共模電感鐵芯。 （三）常用軟磁磁芯的特點比較 1. 磁粉芯、鐵氧體的特點比較： MPP 磁芯：使用安匝數(shù)< 200，50Hz~1kHz， μe ：125 ~ 500 ； 1 ~ 10kHz； μe ：125 ~ 200； > 100kHz：μe： 10 ~ 125 HF 磁芯：使用安匝數(shù)< 500，能使用在較大的電源上，在較大的磁場下不易被飽和，能保證電感的最小直流漂移，μe ：20 ~ 125 鐵粉芯：使用安匝數(shù)>800, 能在高的磁化場下不被飽和, 能保證電感值最好的交直流疊加穩(wěn)定性。在200kHz以內(nèi)頻率特性穩(wěn)定；但高頻損耗大，適合于10kHz以下使用。 FeSiAlF磁芯：代替鐵粉芯使用，使用頻率可大于8kHz。DC偏壓能力介于MPP與HF之間。 鐵氧體：飽和磁密低(5000Gs)，DC偏壓能力最小 3. 硅鋼、坡莫合金、非晶合金的特點比較： 硅鋼和FeSiAl 材料具有高的飽和磁感應(yīng)值Bs，但其有效磁導(dǎo)率值低，特別是在高頻范圍內(nèi)； 坡莫合金具有高初始磁導(dǎo)率、低矯頑力和損耗，磁性能穩(wěn)定，但Bs 不夠高，頻率大于20kHz時，損耗和有效磁導(dǎo)率不理想，價格較貴，加工和熱處理復(fù)雜； 鈷基非晶合金具有高的磁導(dǎo)率、低Hc、在寬的頻率范圍內(nèi)有低損耗，接近于零的飽和磁致伸縮系數(shù),對應(yīng)力不敏感，但是Bs 值低，價格昂貴； 鐵基非晶合金具有高Bs值、價格不高，但有效磁導(dǎo)率值較低。 納米晶合金的磁導(dǎo)率、Hc值接近晶態(tài)高坡莫合金及鈷基非晶，且飽和磁感Bs與中鎳坡莫合金相當(dāng)，熱處理工藝簡單，是一種理想的廉價高性能軟磁材料；雖然納米晶合金的Bs值低于鐵基非晶和硅鋼，但其在高磁感下的高頻損耗遠低于它們，并具有更好的耐蝕性和磁穩(wěn)定性。納米晶合金與鐵氧體相比，在低于50kHz時，在具有更低損耗的基礎(chǔ)上具有高2至3倍的工作磁感，磁芯體積可小一倍以上。 四、幾種常用磁性器件中磁芯的選用及設(shè)計 開關(guān)電源中使用的磁性器件較多，其中常用的軟磁器件有：作為開關(guān)電源核心器件的主變壓器（高頻功率變壓器）、共模扼流圈、高頻磁放大器、濾波阻流圈、尖峰信號抑制器等。不同的器件對材料的性能要求各不相同，如表所示為各種不同器件對磁性材料的性能要求。 （一）、高頻功率變壓器 變壓器鐵芯的大小取決于輸出功率和溫升等。變壓器的設(shè)計公式如下： P=KfNBSI×10-6T=hcPc＋hWPW 其中，P為電功率；K為與波形有關(guān)的系數(shù)；f為頻率；N為匝數(shù)；S為鐵芯面積；B為工作磁感；I為電流；T為溫升；Pc為鐵損；PW為銅損；hc和hW為由實驗確定的系數(shù)。 由以上公式可以看出：高的工作磁感B可以得到大的輸出功率或減少體積重量。但B值的增加受到材料的Bs值的限制。而頻率f可以提高幾個數(shù)量級，從而有可能使體積重量顯著減小。而低的鐵芯損耗可以降低溫升，溫升反過來又影響使用頻率和工作磁感的選取。一般來說，開關(guān)電源對材料的主要要求是：盡量低的高頻損耗、足夠高的飽和磁感、高的磁導(dǎo)率、足夠高的居里溫度和好的溫度穩(wěn)定性，有些用途要求較高的矩形比，對應(yīng)力等不敏感、穩(wěn)定性好，價格低。單端式變壓器因為鐵芯工作在磁滯回線的第一象限，對材料磁性的要求有別于前述主變壓器。它實際上是一只單端脈沖變壓器，因而要求具有大的B＝Bm－Br，即磁感Bm和剩磁Br之差要大； 同時要求高的脈沖磁導(dǎo)率。特別是對于單端反激式開關(guān)主變壓器，或稱儲能變壓器，要考慮儲能要求。 線圈儲能的多少取決于兩個因素： 一個是材料的工作磁感Bm值或電感量L， 另一個是工作磁場Hm或工作電流I，儲能W＝1/2LI2。這就要求材料有足夠高的Bs值和合適的磁導(dǎo)率，常為寬恒導(dǎo)磁材料。對于工作在±Bm之間的變壓器來說，要求其磁滯回線的面積，特別是在高頻下的回線面積要小，同時為降低空載損耗、減小勵磁電流，應(yīng)有高磁導(dǎo)率，最合適的為封閉式環(huán)形鐵芯，其磁滯回線見圖所示，這種鐵芯用于雙端或全橋式工作狀態(tài)的器件中。 通常，金屬晶態(tài)材料要降低高頻下的鐵損是不容易的，而對于非晶合金來說，它們由于不存在磁晶各向異性、金屬夾雜物和晶界等，此外它不存在長程有序的原子排列，其電阻率比一般的晶態(tài)合金高2－3倍，加之快冷方法一次形成厚度15-30微米的非晶薄帶，特別適用于高頻功率輸出變壓器。已廣泛應(yīng)用于逆變弧焊電源、單端脈沖變壓器、高頻加熱電源、不停電電源、功率變壓器、通訊電源、開關(guān)電源變壓器和高能加速器等鐵芯，在頻率20－50kHz、功率50kW以下，是變壓器最佳磁芯材料。 近年來發(fā)展起來的新型逆變弧焊電源單端脈沖變壓器，具有高頻大功率的特點，因此要求變壓器鐵芯材料具有低的高頻損耗、高的飽和磁感Bs和低的Br以獲得大的工作磁感B，使焊機體積和重量減小。常用的用于高頻弧焊電源的鐵芯材料為鐵氧體，雖然由于其電阻率高而具有低的高頻損耗， 但其溫度穩(wěn)定性較差，工作磁感較低，變壓器體積和重量較大，已不能滿足新型弧焊機的要求。采用納米晶環(huán)形鐵芯后，由于其具有高的Bs 值(Bs＞1.2T)，高的ΔB 值(ΔB＞0.7T)，很高的脈沖磁導(dǎo)率和低的損耗，頻率可達100kHz. 可使鐵芯的體積和重量大為減小。近年來逆變焊機已應(yīng)用納米晶鐵芯達幾萬只，用戶反映用納米晶變壓器鐵芯再配以非晶高頻電感制成的焊機，不僅體積小、重量輕、便于攜帶，而且電弧穩(wěn)定、飛濺小、動態(tài)特性好、效率高及可靠性高。這種環(huán)形納米晶鐵芯還可用于中高頻加熱電源、脈沖變壓器、不停電電源、功率變壓器、開關(guān)電源變壓器和高能加速器等裝置中?？筛鶕?jù)開關(guān)電源的頻率選用磁芯材料。 環(huán)形納米晶鐵芯具有很多優(yōu)點，但它也有繞線困難的不利因素。為了在匝數(shù)較多時繞線方便，可選用高頻大功率C 型非晶納米晶鐵芯。采用低應(yīng)力粘結(jié)劑固化及新的切割工藝制成的非晶納米晶合金C 型鐵芯的性能明顯優(yōu)于硅鋼C 型鐵芯。目前這種鐵芯已批量用于逆變焊機和切割機等。逆變焊機主變壓器鐵芯和電抗器鐵芯系列有： 120A、160A、200A、250A、315A、400A、500A、630A 系列。 （二）、脈沖變壓器鐵芯 脈沖變壓器是用來傳輸脈沖的變壓器。當(dāng)一系列脈沖持續(xù)時間為td (μs)、脈沖幅值電壓 為Um (V)的單極性脈沖電壓加到匝數(shù)為N 的脈沖變壓器繞組上時，在每一個脈沖結(jié)束時，鐵芯中的磁感應(yīng)強度增量ΔB (T)為： ΔB = Um td / NSc × 10-2 其中Sc為鐵芯的有效截面積（cm2）。即磁感應(yīng)強度增量ΔB 與脈沖電壓的面積（伏秒乘積）成正比。對輸出單向脈沖時，ΔB=Bm-Br , 如果在脈沖變壓器鐵芯上加去磁繞組時，ΔB = Bm + Br 。在脈沖狀態(tài)下，由動態(tài)脈沖磁滯回線的ΔB 與相應(yīng)的ΔHp 之比為脈沖磁導(dǎo)率μp。理想的脈沖波形是指矩形脈沖波，由于電路的參數(shù)影響，實際的脈沖波形與矩形脈沖有所差異，經(jīng)常會發(fā)生畸變。比如脈沖前沿的上升時間tr 與脈沖變壓器的漏電感Ls、繞組和結(jié)構(gòu)零件導(dǎo)致的分布電容Cs 成比例，脈沖頂降λ 與勵磁電感Lm成反比，另外渦流損耗因素也會影響輸出的脈沖波形。 脈沖變壓器的漏電感 Ls = 4βπN21 lm / h 脈沖變壓器的初級勵磁電感 Lm = 4μπp Sc N2 / l ×10-9 渦流損耗 Pe = Um d2td lF / 12 N21 Scρ β為與繞組結(jié)構(gòu)型式有關(guān)的系數(shù)，lm為繞組線圈的平均匝長，h 為繞組線圈的寬度，N1為初級繞組匝數(shù)，l為鐵芯的平均磁路長度，Sc為鐵芯的截面積，μp為鐵芯的脈沖磁導(dǎo)率，ρ 為鐵芯材料的電阻率，d為鐵芯材料的厚度，F(xiàn)為脈沖重復(fù)頻率。 從以上公式可以看出，在給定的匝數(shù)和鐵芯截面積時，脈沖寬度愈大，要求鐵芯材料的磁感應(yīng)強度的變化量ΔB 也越大；在脈沖寬度給定時，提高鐵芯材料的磁感應(yīng)強度變化量ΔB，可以大大減少脈沖變壓器鐵芯的截面積和磁化繞組的匝數(shù)，即可縮小脈沖變壓器的體積。要減小脈沖波形前沿的失真，應(yīng)盡量減小脈沖變壓器的漏電感和分布電容，為此需使脈沖變壓器的繞組匝數(shù)盡可能的少，這就要求使用具有較高脈沖磁導(dǎo)率的材料。為減小頂降，要盡可能的提高初級勵磁電感量Lm，這就要求鐵芯材料具有較高的脈沖磁導(dǎo)率μp。為減小渦流損耗，應(yīng)選用電阻率高、厚度盡量薄的軟磁帶材作為鐵芯材料，尤其是對重復(fù)頻率高、脈沖寬度大的脈沖變壓器更是如此。 脈沖變壓器對鐵芯材料的要求為： ① 高飽和磁感應(yīng)強度Bs 值； ② 高的脈沖磁導(dǎo)率，能用較小的鐵芯尺寸獲得足夠大的勵磁電感； ③ 大功率單極性脈沖變壓器要求鐵芯具有大的磁感應(yīng)強度增量ΔB,使用低剩磁感應(yīng)材料；當(dāng)采用附加直流偏磁時，要求鐵芯具有高矩形比，小矯頑力Hc。 ④ 小功率脈沖變壓器要求鐵芯的起始脈沖磁導(dǎo)率高； ⑤ 損耗小。 鐵氧體磁芯的電阻率高、頻率范圍寬、成本低，在小功率脈沖變壓器中應(yīng)用較多，但其ΔB 和μp 均較低，溫度穩(wěn)定性差，一般用于對頂降和后沿要求不高的場合。 (三). 電感器磁芯 鐵芯電感器是一種基本元件，在電路中電感器對于電流的變化具有阻抗的作用, 在電子設(shè)備中應(yīng)用極為廣泛。對電感器的主要要求有以下幾點： ① 在一定溫度下長期工作時，電感器的電感量隨時間的變化率應(yīng)保持最??； ② 在給定工作溫度變化范圍內(nèi)，電感量的溫度系數(shù)應(yīng)保持在容許限度之內(nèi)； ③ 電感器的電損耗和磁損耗低； ④ 非線性歧變?。? ⑤ 價格低，體積小。 電感元件與電感量L、品質(zhì)因素Q、鐵芯重量W、繞線的直流電阻R 有著密切的關(guān)系。 電感L 抗拒交流電流的能力用感抗值ZL來表示： ZL ＝ 2πfL , 頻率f 越高，感抗值ZL 越大? 性能參數(shù) 額定容量Se 額定電壓Ue 額定電流Ie 連續(xù)工作輸出的容量 單項和三項 阻抗電壓Uk 負載損耗Pk 空載電流Io 空載損耗Po