新的電源鐵氧體磁心及其應用

1引言

當前高頻開關電源已經在計算機、通信及廣播電視等電子設備中得到了廣泛應用，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生產已有40多年歷史，國內生產企業很多，個別企業已實現規模生產，產品質量已接近或達到國際水平。早期，軟磁鐵氧體主要制作弱磁場范圍的電感器件，80年代以后，在大磁場下，應用的軟磁鐵氧體(主要是MnZn系列)產量不斷增長。因此，80～90年代世界軟磁鐵氧體產量仍保持強勁發展的勢頭，應首先歸功于高頻電源鐵氧體材料的開發和應用。據估計，目前功率鐵氧體材料產量已占軟磁鐵氧體總量的50％左右(按重量計)。

隨著電子設備的小型化和輕量化，要求電源也必須實現小型、薄形和輕量。提高開關頻率是滿足上述要求的最好方法；連帶的問題是開發適用于更高工作頻率的新型鐵氧體材料。近年來，國內外主要鐵氧體廠商致力于開發新的功率鐵氧體材料〖1〗。國內已經開發出適用于開關頻率為100～500kHz及500kHz～1MHz的新型鐵氧體材料。此外，為適應高頻開關電源變壓器的設計，有人提出新的設計參數，開發了適合高頻應用的小型化的新型磁心尺寸系列。所有這些工作，均為高頻開關電源的發展鋪平了道路。

2功率鐵氧體材料的技術性能及發展動向

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率和較高的飽和磁感應強度，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用于高壓變壓器(如電視機行輸出變壓器)，開關電源變壓器、扼流圈及其它變壓器（如驅動變壓器）等，上述應用對鐵氧體材料主要電磁特性要求可歸納以下三點：

（1）飽和磁感應強度Bs要盡可能高；

（2）磁心功率損耗Pc在實際工作頻率和工作溫度范圍（如60～100℃）要盡可能低；

（3）磁導率（通常指大磁場下振幅磁導率μa或交直流疊加下增量磁導率μ△）要適當地高。

附加的要求還有居里點要高（通常大于200℃）。對于工作頻率高于100kHz的高頻開關電源變壓器，還要求材料電阻率高，以降低渦流損耗。

國內功率鐵氧體材料應用和開發大致可分為四個階段：

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的行輸出變壓器，其實際工作頻率為15～100kHz，通常采用U形磁心，典型的國產鐵氧體材料有R1.5K、R2KD等，相當的國外材料有日本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算機開關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。典型的國產鐵氧體材料有R2KBD。相當的國外材料有日本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，開關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〗，必須從化學成分和微觀結構兩方面進行改進，提高材料電阻率。為此，開發的國產鐵氧體有R2KB1材料。相當的國外材料有日本TDK公司的PC40材料。

第四階段，90年代初期到中期，國內外均著力開發適用于500kHz～1MHz開關頻率的新材料。典型的國產鐵氧體材料有R1.4K材料。相當的國外材料有日本TDK公司的PC50材料（上述材料技術指標見表1）。

關于供1MHz～3MHz開關電源用的新鐵氧體材料，目前國外尚處于研制階段。已取得成果的報導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開關電源變壓器的設計應用

圖1功率鐵氧體材料電磁特性

＊在16kHz、150mT測量

　　開關電源變壓器的設計工作中，有關鐵氧體磁心的設計考慮如下參數：

（1）材料性能因子開關電源變壓器的設計方法很多，但設計自由度受到如下限制：

1）磁心飽和限制；

2）磁心損耗限制；

3）調整度限制。

　　當我們設計高頻開關電源變壓器時，應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；f—頻率；B—工作磁通密度；

　　n—指數，對于功率鐵氧體材料，典型值為2.5；

　　m—指數，在f=10～100kHz時，應考慮渦流損耗，此時m=1.3，當頻率提高到100kHz上時，m要增大。

　　由上式可見，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；因此變壓器設計時，磁心損耗限制值也限定了最高工作磁通密度。同時，提高開關頻率，磁心損耗也要相應增加。所以在進行變壓器設計時，磁心損耗200mW/cm3是一個適宜的限制值[3]。在規定的磁心損耗下，提高工作頻率，必須相應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，規定磁心損耗為200mW/cm3時磁感應強度與頻率的關系曲線。對材料B、C來說，當開關頻率為100kHz時，可允許的工作磁通密度為100mT；當頻率提高到500kHz時，可允許的工作磁通密度將降低到50mT以下。改進鐵氧體材料（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]提出了一個新的設計參數—材料因子PF200，作為變壓器允許功率的設計限制因子。這里的PF200定義為磁心材料損耗為200mW/cm3時的工作頻率f和工作磁通密度的乘積。

圖1三種材料在200mV/cm3功耗值時磁感應強度

　　圖2是幾種鐵氧體材料性能因子PF200與頻率的關系，圖中3C85、3F3、3F4均為MnZn鐵氧體，而4F1是NiZn鐵氧體。可見，當開關頻率提高到1MHz以上時，NiZn鐵氧體可能顯示出更為優越的性能。

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。德國西門子公司列出了變壓器最大傳輸功率P的表達式：

　　P=Cf△BJFcuSaSe(2)

式中，C—與變換器工作方式有關的常數，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。

　　在西門子公司產品目錄中，已列出最大傳輸功率與磁心尺寸的關系曲線，圖3是一個實例。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系。對一定尺寸的磁心來說，提高工作頻率，可相應地提高傳輸功率。

如采用ETD39磁心，在100kHz時可傳輸功率400W，而200kHz時傳輸功率可提高到600W。

（3）磁心形狀考慮功率變壓器磁心形狀應考慮大電流引出線及容易散熱，對高頻變壓器還應考慮屏蔽，防止雜散磁場干擾。關于磁心損耗（Pc）與溫升的關系，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。因此在磁心形狀設計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單，成本較低，散熱好，便于大電流引出；缺點是方形中心柱，給線圈繞制帶來不便。現在，主要使用EC或ETD鐵氧體磁心，這類磁心中心柱改為園形，由于園形繞組線長比方形繞組縮短11％，從而降低了線圈銅損。為了適應高頻電源變壓器的發展，最近國際標準已擴展了ETD磁心尺寸系列（由四種擴展為九種），具體尺寸為ETD19、24、29、34、39、44、49、54、59。一種新的PQ型磁心，因為背部面積較大，更有利于散熱，最近在電源變壓器方面已獲得應用。此外，PM或RM型磁心，也可用于高頻變換器，因為這種磁心有良好的屏蔽和大的出線槽口，有人指出，EE42磁心雜散磁場要比RM型磁心高5倍。對高于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。