通過選擇合適的磁芯材料來提高功率密度

幾十年前，麻省理工學院 （MIT） 有點沉睡的弗朗西斯·比特國家磁鐵實驗室 （Francis Bitter National Magnet Lab） 的入口處裝飾著 1953 年美國科幻電影《磁性怪物》（The Magnetic Monster） 的電影海報。從那時起，磁性學科學飛速發展，超越了電影制作人夢寐以求的一切，其重大突破改變了電子領域的格局。

當今的磁性材料（許多針對高頻應用進行了優化）在電力電子、射頻系統和信號調節中至關重要，并且在最苛刻的應用中是必不可少的。它們的特性會影響磁芯損耗、效率、熱性能，并最終影響功率密度。

以下是常用高頻磁性材料的概述、它們的優缺點，以及它們如何幫助實現高功率密度。

高頻磁性材料的主要四大類是什么？

1. 鐵氧體（特別是 MnZn 和 NiZn 類型，它們分別是天然存在的雅各布石和海參石）提供 ~10 kHz 至 100 MHz 的頻率范圍。這種材料通常用于變壓器、電感器和 EMI 濾波器。它們具有高電阻率和低渦流損耗，在高頻下具有良好的性能，此外，它們具有成本效益且廣泛使用。

它們可以在開關模式電源 （SMPS） 中實現緊湊型變壓器設計，支持高開關頻率，并減小無源元件尺寸。
另一方面，鐵氧體的飽和磁通量密度有限 （~0.3-0.5 T）。從物理上講，它們往往很脆且像陶瓷一樣，不太適合高功率、大電流應用。

2. 非晶態金屬（例如梅特格拉斯）是固體金屬材料，通常是合金，具有無序的玻璃狀結構。然而，盡管它們“像玻璃”，但它們是良好的電導體。它們通常用于頻率范圍高達 500 kHz 的高效電力變壓器和電感器。它們具有高磁導率和低矯頑力，在中高頻下具有非常低的磁芯損耗，并且比鐵氧體具有更高的飽和磁通量 （~1.5 T）。
不利的一面是，它們易碎且難以加工，比鐵氧體更昂貴，并且在非常高頻的應用中的作用非常有限。它們表現出的較低損耗允許更小的磁芯并減少散熱，使其適用于可再生能源和 EV 系統中緊湊、高效的轉換器。

3. 納米晶合金（例如 Finemet、Vitroperm）是微晶尺寸僅為幾納米的材料，粗略地說，它們介于無序非晶材料和傳統的粗晶材料之間。它們的常見用途包括高頻變壓器、柵極驅動變壓器和電磁兼容性 （EMC） 元件，頻率范圍從 ~20 kHz 到幾兆赫茲。

納米晶合金的特點是在高頻下極低的磁芯損耗、高飽和磁通量 （~1.2 T） 和出色的熱穩定性.這些合金的缺點是它們往往價格昂貴、可用性可能有限且機械易碎。