非晶與超微晶材料的應用

摘要：結合應用實例,重點介紹了在不同應用場合選用非晶與超微晶材料的種類及其特點，并與其它磁性材料作了對比。關鍵詞：鐵基非晶材料；鐵基超微晶材料；磁導率；矯頑力；損耗

非晶與超微晶材料的應用

磁材料120×60×40磁芯。按照

E=4．44f×Bm×N×Sc×10－4（1）

式中：Bm——工作磁感應強度，一般選在Bs/2處較

合適，既Bm選0．8T；

E——交流輸入電壓，V；

N——初級匝數；

f——交流輸入電壓頻率，Hz；

Sc——磁芯有效截面積，cm2。

又因為

Sc=（1／2）×D×（R－r）×h（2）

式中：D——磁芯的占空系數，一般取0.65；

R——磁芯的外環直徑，cm；

r——磁芯的內環直徑，cm；

h——磁芯的高度，cm。

所以Sc=(1／2)×D×（R－r）×h

=(1／2)×0．65×（12－6）×4

=7．8cm2

由式（1）可得:N==

=198匝

考慮銅損，N選200匝。

2）驗證

為了驗證N=200匝時，磁導率μe是否在磁芯材料參數的范圍之內，可利用式（3）N=104×（3）

式中：L——初級電感量，H；

lc——磁芯的平均磁路長度，cm。

因為

lc=1.57×(D＋d)=1.57×(12＋6)=28.26cm

L的計算如下:

在未繞成變壓器之前,初級電感量是不能測出的,但可以由式（4）推算出。=（4）

即可以先繞N1=10匝,測得L1=13mH，于是N=200匝時可得到L=L1×=13×=5.2H

由式（3）可得μe=×108=×108

=4×104

μe滿足μi=8×104的要求。說明變壓器初級匝數設計合理。

次級匝數可由電壓與匝數的變比求出，這里不再累述。

經過實驗，這一理論計算可以帶起1kW負載，工作穩定可靠。

3）設計時注意點

①Bm不能選的過高由于磁芯參數的分散性，使得在相同匝數下的電感量有差異,而且相差較多,若Bm取得太高,容易使磁芯飽和。 ②怎樣判斷磁芯已進入飽和?

——在淺飽和狀態下，增加初級電壓,次級電壓不增加,增加的能量全部被磁芯損耗掉；負載加重后,輸出電壓迅速下跌,負載能力下降，能量被磁芯損耗。

——在深飽和狀態下，初級電壓加不到220V磁芯就很燙,而且初級電壓再升高,次級電壓也不變,能量全部被磁芯損耗。

3開關電源用磁芯

3．1單端式變換器用磁芯

單端式變換器主要要求磁芯剩余磁感應強度低，即Br/Bs較小。

采用鐵基超微晶低剩磁(Br/Bs≤0.2)材料的磁芯，飽和磁感應強度Bm=1.2T，剩磁Br0.2T,初始磁導率μi>2×104，最大磁導率μm=5×104，損耗P0.35（10kHz）18W/kg。

這是因為單端式變換器磁芯工作在磁滯回線的第一象限,對材料的要求是具有大的ΔB(ΔB=Bm－Br)，鐵基超微晶材料的飽和磁感應強度Bm=1.2T,它無論經過怎樣的磁場處理,都是不會變的,所以要使ΔB增大,只有采用低Br的磁芯。特別對于單端反激主變壓器,要求有足夠的飽和磁感應強度Bm和合適的磁導率。因為單端反激電路中的主變壓器要求儲能,線圈儲能的多少取決于兩個因素:一是材料的工作磁感應強度Be或電感量L；另一個是工作磁場Hm或工作電流I。儲能W=LI2,在一定的電流下,磁芯不能飽和。飽和磁感應強度Bm由材料決定,低Br的磁芯利于恒磁導,使磁芯在一定的電流下不飽和。

3．2全橋、半橋、推挽式變換器用磁芯

對于這種雙端式變換器主要要求磁芯的飽和磁感應強度Bm高。

雖然鐵基非晶材料的飽和磁感應強度Bm高，但是由于鐵基非晶材料的工作頻率較低（15kHz），頻率高時，損耗增加，所以對于幾百kHz以上的逆變電源是不適用的。而采用鐵基超微晶中剩磁(Br/Bs≤0.6)材料的磁芯。飽和磁感應強度Bm=1.2T,初始磁導率μi>8×104，最大磁導率μm=45×104。損耗P0.3/(100kHz)300W/kg，工作頻率高。

因為全橋、半橋、推挽式變換器中的變壓器工作在雙端,對Br的要求不是很嚴格,它需要的是2Bm。但若選用高Br的磁芯,當電源功率較大時，容易產生飽和現象。為此，對于中、大功率的開關電源，可采用中Br磁芯，這樣還可使變壓器有一定的電感量。特別對于諧振電源，一定的變壓器電感可充當諧振電感，使全橋、半橋、推挽式電路產生諧振，達到ZVS或ZCS軟開關的作用。

但對于有的大功率的開關電源,為防止偏磁,也采用低剩磁(低Br)磁芯。

3扼流圈用磁芯

扼流圈用磁芯要求有一定的儲能，所以要采用低剩磁，橫磁導率的材料。

采用鐵基非晶低剩磁(低Br)材料磁芯，飽和磁感應強度Bm=1.5T,剩磁Br0.1T,恒磁導率250～1200。

扼流圈是阻止交流成份,只讓直流通過的電感元件，所以直流電流和交流電流加在磁芯上時的磁特性,即直流偏磁特性是很重要的。具體地說，電感值應使得直流電流不易讓磁芯飽和,而對于交流成分確是足夠大的。為此作為材料特性,需要高飽和磁通密度Bm，磁導率恒定。

下面就幾種材料的特性做一下對比，詳見表1。

表1幾種材料的特性對比材料飽和磁感應強度/T磁導率損耗/W/kg
鐵基非晶扼流圈1.5250～1200P0.05(2kHz)1.5
坡莫合金0.75根據形狀和加氣隙的不同而不同P0.5(2kHz)25
硅鋼片2P1.0(1kHz)20
鐵氧體0.4P1.0(1kHz)7.5
非晶扼流圈與坡莫合金、硅鋼片、鐵氧體相比可以提高工作頻率、增強耐直流電流的能力、高溫時仍保持高飽和磁通密度、降低功耗等優點。

4非晶飽和磁芯

飽和磁芯主要是把磁芯當作一個“磁開關”，當磁芯不飽和時，電感很大，相當于磁開關斷開；當磁芯完全飽和時，電感很小，相當于磁開關短路。

采用鈷基非晶合金磁芯，它具有高磁導率,低矯頑力,高矩比(Bs/Br),低損耗等特點。飽和磁感應強度Bm=0.5～0.8T,矯頑力HC2A/m。

1）自飽和電抗器

自飽和電抗器是希望磁芯做一個反應很快的開關,有一點電流就使磁芯很快飽和。所以應采用高剩磁(高Br)材料,初始磁導率μi>5×104,最大磁導率μm>25×104,損耗P0.5(20kHz)35W/kg。主要用于消除開關電源的二次寄生振蕩、消除尖峰等。

2）可飽和電抗器

可飽和電抗器是利用了磁芯未飽和與飽和后磁導率間的巨大差異來延遲電流以得到一段預置時間。這時可以將脈沖變壓器傳輸過來的脈沖進行壓縮,根據電流的大小來調節脈寬,從而可改變輸出電壓。利用可飽和電抗器的這一特點,就可以實現多路調節。因為采用一般的脈寬調節的開關電源只能對一組輸出進行脈寬調節,改變輸出電壓，而不能做到幾路輸出電壓都可調,利用可飽和電抗器,通過用電位器控制各輸出電路的電流來改變各電路的脈寬,從而實現多路調節。現在國外已做出了通過電位器使十幾路輸出都可調節的電路。

所以可飽和電抗器應根據電流的大小和輸出脈寬壓縮情況來選擇磁芯。例如需要大電流下還有一定脈沖壓縮的，應使用低剩磁(低Br)磁芯.總之要具體問題具體分析。