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1引言

軟磁材料門類很多，軟磁鐵氧體是其中重要的成員,軟磁材料又可分為金屬和鐵氧體軟磁兩個(gè)大的門類。作為功率電感或主變壓器磁心，金屬軟磁多用在50kHz以下，而在50kHz以上的電子變壓器中，多用軟磁鐵氧體磁心。由于鐵氧體軟磁自身高頻損耗很低，在200kHz以上高頻場(chǎng)合，電子變壓器選材基本上全是鐵氧體軟磁，隨著技術(shù)的進(jìn)步，有些軟磁鐵氧體的應(yīng)用頻率可達(dá)數(shù)MHz以上。軟磁鐵氧體種類繁多，性能各有側(cè)重，在不同場(chǎng)合下，對(duì)它們的選型使用，是發(fā)揮其優(yōu)勢(shì)性能的關(guān)鍵。

2選材依據(jù)：金屬磁粉心與軟磁鐵氧體體電阻率的對(duì)比

在20～200kHz頻率范圍內(nèi)，金屬磁粉心和軟磁鐵氧體磁心有一定的重疊應(yīng)用區(qū)域，有必要對(duì)它們的主要特點(diǎn)進(jìn)行一些對(duì)比。金屬磁粉心顆粒較粗，顆粒間的絕緣是靠樹(shù)脂等包覆層來(lái)實(shí)現(xiàn)的，而鐵氧體材料PC44磁心晶粒之間的絕緣是靠高阻的玻璃態(tài)晶界，這個(gè)高阻的晶界是在高溫?zé)Y(jié)情況下通過(guò)固相反應(yīng)形成的。MnZn功率鐵氧體的體電阻率一般在1～20Ω•m之間，而NiZn鐵氧體的體電阻率一般在105Ω•m以上。在高頻下鐵氧體軟磁的損耗要比金屬磁粉心小得多，MnZn鐵氧體是電子變壓器最常用的磁心材質(zhì)，表1是常用中檔MnZn功率鐵氧體材料PC40與FeSiAl及FeSi磁粉心的高頻功率損耗對(duì)比(數(shù)據(jù)來(lái)源于客戶的承認(rèn)書)。所以在50kHz以上，功率鐵氧體自身的高頻損耗明顯低于磁粉心，但功耗不是電子變壓器選材的唯一標(biāo)準(zhǔn)，還有飽和磁通密度Bs與抗直流疊加能力等。金屬磁粉心的Bs值，如鐵硅材料，一般可達(dá)1T左右，遠(yuǎn)高于MnZn鐵氧體材料。對(duì)某些應(yīng)用，磁心損耗變得不那么重要，而B(niǎo)s和直流疊加特性才是首先要考慮的。即不同的應(yīng)用材料選型著重點(diǎn)是不一樣的。

3選材依據(jù)：磁心工作狀態(tài)

3.1磁心工作在B-H回線的第一象限

在200W以下場(chǎng)合，應(yīng)用非常廣泛的反激式拓?fù)涞碾娫矗渲麟娐啡鐖D1所示。這種拓?fù)洳恍枰敵鰹V波功率電感，開(kāi)關(guān)管關(guān)斷電壓應(yīng)力也容易處理，加上成本較低，在中國(guó)、歐盟等220V市電電壓的區(qū)域市場(chǎng)廣泛應(yīng)用。先來(lái)看斷續(xù)電流工作狀態(tài)下的反激式變壓器。圖2給出了電流斷續(xù)反激式變壓器的原副邊電流波形和對(duì)應(yīng)的磁滯回線工作區(qū)間。在圖2a中，在開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通階段，原邊線圈中電流斜坡上升，磁心從+Br被激勵(lì)到最大工作磁密+Bm，磁心被磁置位；當(dāng)開(kāi)關(guān)管關(guān)斷時(shí)，原邊電流關(guān)斷，副邊產(chǎn)生反激電流，即圖中上方的三角波，從峰值沿斜坡下降，將儲(chǔ)存的磁場(chǎng)能轉(zhuǎn)化為電能傳給負(fù)載，磁心中的磁密從+Bm下降到+Br，磁心被磁復(fù)位。

3.2磁心工作在整個(gè)B-H磁滯回線上

現(xiàn)在我們?cè)賮?lái)看一下磁心工作在整條磁滯回線下的情形。

4選材依據(jù)：平衡工作溫度與磁心功耗-溫度曲線的匹配

對(duì)于變壓器平衡工作溫度與磁心功耗溫度黃線的匹配，選材非常重要，即功率材料的功耗谷點(diǎn)最好與開(kāi)關(guān)電源主變壓器的工作平衡溫度接近，這樣可獲得最佳的電源效率，因?yàn)闊o(wú)論對(duì)于PC40、還是PC44、PC47，或者是PC90、3C92等功率材料，對(duì)于其Pcv-T曲線，不是功耗谷點(diǎn)的溫度上，其自身功耗值較高。圖5給出了幾種典型材料的Pcv-T曲線，PC47在25℃的功耗接近700kW/m3，是相當(dāng)高的功耗值。若要求變壓器在輕載或者低溫時(shí)有很低的損耗，應(yīng)該選擇PC95類的材料，如風(fēng)華磁材的PG312、PG312B（高Bs型PC95類材料）。PC95類具有從低溫到高溫很寬的溫度范圍內(nèi)，具有很平坦（或稱淺碟形）的Pcv-T曲線，在電子變壓器輕載時(shí)，磁心工作平衡溫度在室溫附件，若選用PC45材料，它在20℃的功耗高達(dá)600kW/m3左右，而PC95材料不到400kW/m3，磁心自身功耗下降了近1/3。在電子變壓器重載時(shí)，磁心的平衡工作溫度往往會(huì)達(dá)到100℃以上。例如PC45材料在120℃下Pcv為650kW/m3左右，而PC95材料只有350kW/m3左右，兩者相差極大，這種情況下應(yīng)選擇PC95材料，這充分體現(xiàn)了磁材選型要與電路實(shí)際使用情況相匹配的重要性。4H45、4H47這種高溫高Bs材料是通過(guò)犧牲低功耗來(lái)實(shí)現(xiàn)高的，隨著技術(shù)的進(jìn)步，現(xiàn)在有廠家開(kāi)發(fā)出損耗低而B(niǎo)s又高的MnZn低功耗材料，如若這樣，設(shè)計(jì)師選材就容易多了，可以實(shí)現(xiàn)“懶人設(shè)計(jì)”了。但是“懶人材料”的價(jià)格成本往往也水漲船高，具體還要看相關(guān)的設(shè)計(jì)工程師的取舍了。

5結(jié)語(yǔ)

雖然變壓器電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)很多，但磁心的工作狀態(tài)一般只有這三種（不考慮磁放大工作狀態(tài)），應(yīng)根據(jù)磁心的工作狀態(tài)來(lái)選擇合適的材質(zhì)?？傊?，磁心的工作狀態(tài)取決于電流激勵(lì)方式，而電流激勵(lì)方式取決于電路拓?fù)?，磁心材質(zhì)的選擇取決于磁心的工作狀態(tài)。

參考文獻(xiàn)：

[1]AbrahamIPressman(王志強(qiáng)等譯).開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)[M].北京:電子工業(yè)出版社,2005.

[2]趙修科.磁性元器件分冊(cè)[M].沈陽(yáng):遼寧科學(xué)技術(shù)出版社,2002.

作者:胡春元；蔣勝勇；沓世我 單位：廣東風(fēng)華高新科技股份有限公司