磁性材料應(yīng)用課件

軟磁材料的應(yīng)用一．軟磁材料分類及應(yīng)用

磁性材料從特性及應(yīng)用分為軟磁、硬磁、旋磁、矩磁、壓磁等，其中軟磁應(yīng)用最為廣泛，幾乎所有感性器件（電感、變壓器、傳感器等）都離不開軟磁材料。

軟磁材料的主要性能參數(shù)及主要應(yīng)用方向

二．我公司軟磁材料

主要類別及優(yōu)勢(shì)

北京七星飛行電子有限公司（國營第798廠）是國內(nèi)最早生產(chǎn)磁性材料的廠家之一，也是目前國內(nèi)軟磁材料行業(yè)品種最全、專業(yè)開發(fā)能力最強(qiáng)的專業(yè)廠家，多年來一直在開發(fā)研制各類獨(dú)特性能的軟磁材料，為航天、航空、電子、兵器、船舶等領(lǐng)域研制生產(chǎn)配套產(chǎn)品和服務(wù)，在軍工領(lǐng)域享有較高的聲譽(yù)。以下為我公司主要軟磁材料系列：1．

金屬磁粉芯2．

Mn-Zn鐵氧體3．

Ni-Zn鐵氧體4．

非晶微晶非晶微晶材料主要用于制造以下產(chǎn)品：1）

開關(guān)電源變壓器及扼流圈一般情況下，就功耗而言，非晶材料在1-10kHz內(nèi)優(yōu)于鐵氧體，20kHz以上劣于鐵氧體；超微晶材料在50kHz內(nèi)優(yōu)于鐵氧體，100kHz以上劣于鐵氧體。一般非晶主要用在50kHz以內(nèi)的場(chǎng)合，超微晶材料用在300kHz以內(nèi)的場(chǎng)合。由于非晶微晶材料的Bs遠(yuǎn)高于鐵氧體，因此變壓器選擇較高的ΔB（一般用在較低頻率或頻率較高但散熱條件很好的情況）或扼流圈選擇較大的偏磁場(chǎng)情況下仍然能夠正常工作。但是非晶微晶材料的抗振動(dòng)能力差，在如車載、機(jī)載場(chǎng)合一般比較難達(dá)到可靠性要求，必須對(duì)材料作特殊防振工藝處理。2）

電感濾波器用非晶微晶制造的共模濾波器，在500kHz以下具有很高的阻抗，1MHz以上阻抗會(huì)下降；差模濾波器（有氣隙使用）盡管偏磁性優(yōu)于鐵氧體，但由于非晶微晶材料本身頻譜的特點(diǎn)，在較高頻率下會(huì)比鐵氧體差。3）

脈沖變壓器、傳感器利用某些非晶微晶（如Co基非晶）高矩磁比的特性。

Ni-Zn鐵氧體適用不同的工作頻率，Ni-Zn材料的μi在5-1300之間。和國內(nèi)同行相比，我公司Ni-Zn材料品種最為齊全，性能優(yōu)越。針對(duì)用戶不同的要求，我們研制出適宜于各個(gè)頻段的弱信號(hào)濾波材料及大信號(hào)的功率材料，對(duì)于弱信號(hào)濾波材料，我們的主要特點(diǎn)是溫度系數(shù)明顯低于國內(nèi)同行，Q值較高，對(duì)于功率材料，我們的主要特點(diǎn)是損耗低，適用頻帶寬。三．Mn-Zn鐵氧體Mn-Zn鐵氧體是80年代興起的一種新型的高頻磁性材料，它同時(shí)帶動(dòng)了開關(guān)電源突飛猛進(jìn)的發(fā)展。鐵氧體是采用陶瓷工藝制成的一種黑色陶瓷，具備了在10kHz以上叵莫合金無可比擬的優(yōu)勢(shì)——損耗小，價(jià)格低廉、易成型。我公司Mn-Zn鐵氧體從材料特性區(qū)分可以分為三類，其中高穩(wěn)定性材料系列是我公司最具特色、優(yōu)于國內(nèi)同行的產(chǎn)品，已經(jīng)廣泛應(yīng)用在軍工領(lǐng)域。高導(dǎo)材料一般用于制作共模濾波器電感。以下為同等條件下（同樣結(jié)構(gòu)尺寸、線圈）用不同材料制作的共模濾波器的高頻阻抗情況。通常情況下，建議選用R6k或R8k材料會(huì)確保在1MHz左右阻抗較大。下面是一般情況下設(shè)計(jì)磁芯ΔB的選擇：25kHz—3000Gs50kHz—2000Gs100kHz—1500Gs200kHz—1000Gs散熱條件越好，取值可以越大。當(dāng)然，在頻率更低選擇更大ΔB或者在單端反激模式（有直流偏磁）情況下要注意防止磁芯飽和（考慮最高工作溫度下Bs）。設(shè)計(jì)變壓器的幾個(gè)注意事項(xiàng)：1）根據(jù)頻率、功率選擇適當(dāng)?shù)拇判?，選擇適當(dāng)?shù)摩。2）滿窗口。指在確保安全指標(biāo)的情況下，盡量占滿繞線窗口，可以實(shí)現(xiàn)最大功率密度。環(huán)型變壓器例外。3）等同電流密度。指設(shè)計(jì)保證每個(gè)繞組電流密度一致。一般要保證以下公式成立：ApNp=1.05ΣAs×Ns其中Ap、As為初、次級(jí)繞組銅截面積，Np、Ns為初、次級(jí)匝數(shù)，1.05是考慮初級(jí)空載電流的情況。需要注意的是如果某個(gè)繞組存在工作一半時(shí)間的情況（如推挽變壓器的初級(jí)、全波整流時(shí)次級(jí)帶中心抽頭），繞組銅截面積要減少為設(shè)計(jì)值的0.707倍。當(dāng)然要適當(dāng)考慮內(nèi)外繞組的散熱情況的不同。一種變壓器設(shè)計(jì)例：PWM全橋，f=25kHz,Dmax=0.8Input:三相整流，最低輸入電壓Umin=537V*80%=430VOutput:DC300V*30A橋式整流設(shè)計(jì)如下：磁芯選擇：按8W/g計(jì)，磁芯重量大約1.1Kg，選R2kB1Φ100*50*40，Ae=10cm2Np計(jì)算：根據(jù)電磁感應(yīng)定律E=ΔΨ/ton即Umin-10V=Np*Ae*ΔB*2f/DmaxΔB選0.27T，10V為功率管壓降。計(jì)算得Np=24.9，取Np=25TsNs計(jì)算：Ns=(300V+10V)/(430V-10V)/Dmax*Np=23.1，取Ns=23Ts繞組銅截面計(jì)算：次級(jí)流出平均電流30A，但有效電流要稍大，為簡化計(jì)算，按30A考慮，j取較小的5A/mm2，初、次級(jí)銅截面均取6mm2。金屬磁粉芯的制造工藝概述金屬磁粉芯是一種粉末冶金產(chǎn)品。我公司研制生產(chǎn)金屬磁粉芯產(chǎn)品已有20多年的歷史，是國內(nèi)唯一的一家自主開發(fā)、從基礎(chǔ)原材料到成品生產(chǎn)工藝全過程生產(chǎn)各類金屬磁粉芯全系列產(chǎn)品的廠家，多年來一直為軍工配套，近幾年在民品領(lǐng)域取得很大的進(jìn)展，幾乎以每年翻番的速度發(fā)展。金屬磁粉芯制造工藝大致如下：金屬磁粉芯的分類及主要性能指標(biāo)

金屬磁粉芯主要材料性能比較

說明：1）功耗因子是指在頻率大約在25kHz，Bm大約在1000Gs情況下?lián)p耗相對(duì)值。2）價(jià)格因子是指目前民品市場(chǎng)平均相對(duì)價(jià)格。鐵粉芯：1P主要用作制造差模濾波器3P主要用作制造差模濾波器，也可以用在對(duì)損耗要求不高的場(chǎng)合制造扼流圈4P主要用作制造頻率相對(duì)較低（<50kHz）的扼流圈（如UPS輸出扼流圈）一般而言，作為功率扼流圈，鐵粉芯主要用于50kHz以下的頻段，高出此頻段損耗太大（正如硅鋼片用在1kHz以上頻段）。必須注意，在上述金屬磁粉芯中，只有鐵粉芯具有相對(duì)較大的磁致伸縮因子，所以在應(yīng)用到含有音頻功率信號(hào)的場(chǎng)合經(jīng)常會(huì)聽到噪聲。鐵粉芯在軍工領(lǐng)域應(yīng)用很少。羰基鐵:基于其寬頻帶（500MHz以內(nèi)）、高Q（指在弱信號(hào)下?lián)p耗很?。?、高可靠性，主要用于高頻電感、調(diào)芯電感等小電感的制作。高磁通粉芯（HI-FLUX）：高磁通粉芯由于具有最好的直流偏磁性（緣于最高的Bs）、很低的功耗，是制作功率扼流圈最好的材料，用高磁通粉芯制作的扼流圈可以實(shí)現(xiàn)體積最小化，同時(shí)高磁通粉芯是軍工領(lǐng)域制造差模濾波器最理想的材料，與鐵粉芯相比同樣的濾波器體積其電感量在兩倍以上，同時(shí)在更高的頻帶差模濾波效果會(huì)更好。我公司自主開發(fā)的高磁通材料綜合性能與國外最好的同類型材料相比近乎相同。鐵硅鋁粉芯(SENDUST)：鐵硅鋁粉芯與高磁通相比盡管偏磁性較差，但具有較低的功耗，價(jià)格低廉，所以在民用領(lǐng)域應(yīng)用最為廣泛，主要用于制作功率扼流圈。我公司生產(chǎn)的鐵硅鋁粉芯與國外最好的同類型材料相比，偏磁性指標(biāo)略好，但在50kHz以內(nèi)損耗略高，50kHz以上相當(dāng)。鐵硅鋁粉芯是我公司在民品市場(chǎng)權(quán)重最大的金屬磁粉芯材料。鐵鎳鉬粉芯(MPP)：鐵鎳鉬粉芯的特點(diǎn)是損耗最小，溫度系數(shù)最小，磁導(dǎo)率范圍寬（國外可達(dá)550，我公司實(shí)驗(yàn)水平可到300），主要用于制作功率扼流圈，是制作對(duì)功耗要求較高的諧振電感最理想的材料，但偏磁性最差。目前，鐵鎳鉬材料在國內(nèi)軍工領(lǐng)域應(yīng)用最為廣泛，也是我公司企軍標(biāo)產(chǎn)品系列最多的金屬磁粉芯材料。高磁通、鐵硅鋁、鐵鎳鉬粉芯一般稱高檔金屬磁粉芯，目前在國內(nèi)只有我公司真正具備研制及規(guī)模生產(chǎn)的能力。遺憾的是，由于高檔金屬磁粉芯在國內(nèi)推廣很慢，國內(nèi)大多數(shù)電源工程師對(duì)金屬磁粉芯的認(rèn)識(shí)遠(yuǎn)不及鐵氧體，因此目前國內(nèi)研制的多數(shù)含扼流圈產(chǎn)品主要采用了鐵氧體開氣隙的方式制作，近幾年隨著人們對(duì)此類材料的逐步認(rèn)識(shí)，特別是看到國外電源大量采用金屬磁粉芯并收到良好的效果，高檔金屬磁粉芯應(yīng)用正在逐步擴(kuò)大。高檔金屬磁粉芯制作的扼流圈一般應(yīng)用頻率在300kHz以內(nèi)。通常情況下，使用頻率低/高宜選用高/低磁導(dǎo)率。用高檔金屬磁粉芯制作扼流圈和用用鐵氧體開氣隙相比具有如下特點(diǎn)：1）前者使用溫度范圍寬。金屬磁粉芯材料本身可以工作在-55℃~+300℃內(nèi)，而最好的鐵氧體材料工作溫度范圍在-55℃~+125℃內(nèi)。2）前者溫度系數(shù)比后者小。3）前者Bs比后者高得多（特別在高溫下），這使得達(dá)到同樣的電感，前者體積比后者小得多，前者功率密度高，但前者整體損耗大于后者。另外，前者的偏磁特性曲線呈現(xiàn)出“不飽和”特性對(duì)于電路的可靠性尤為重要。4）前者由于其閉合磁路的特點(diǎn)，其電磁兼容特性要遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于磁路開路鐵氧體功率電感，前者使用時(shí)產(chǎn)生的電磁干擾及抗干擾能力比后者優(yōu)1-2個(gè)數(shù)量級(jí)。這一點(diǎn)對(duì)于軍用尤為重要。5）金屬磁粉芯系粉末冶金工藝產(chǎn)品，而鐵氧體系陶瓷燒結(jié)工藝產(chǎn)品，兩類不同材料的芯體決定了前者比后者具備更優(yōu)良的機(jī)械性能（耐振動(dòng)、沖擊等）。6）由于兩種磁性材料制作工藝的不同決定了金屬磁粉芯的性能的一致性及穩(wěn)定性，從而使金屬磁粉芯扼流圈更具可靠性，再則用金屬磁粉芯設(shè)計(jì)扼流圈計(jì)算簡潔，幾乎不必再經(jīng)實(shí)際測(cè)試進(jìn)行設(shè)計(jì)調(diào)整。金屬磁粉芯作為差模濾波電感的設(shè)計(jì)比較簡單，一般根據(jù)電流選擇適當(dāng)線經(jīng)，在磁環(huán)上排繞單層即可，既實(shí)用又美觀，有時(shí)占窗更多以實(shí)現(xiàn)更好濾波效果。金屬磁粉芯作為無源PFC電感的設(shè)計(jì)一般為追求最大電感，通常按半窗口（后述）或更多占用窗口設(shè)計(jì)。金屬磁粉芯磁環(huán)的三個(gè)尺寸的設(shè)計(jì)是遵循一般規(guī)則的，這使得運(yùn)用金屬磁粉芯磁環(huán)設(shè)計(jì)功率電感即使繞線過滿也不會(huì)導(dǎo)致磁芯進(jìn)入準(zhǔn)飽和狀態(tài)。運(yùn)用高檔金屬磁粉環(huán)制作扼流圈的設(shè)計(jì)最常見的是開關(guān)電源輸出扼流圈（BUKE）及有源PFC電感（BOOST）的設(shè)計(jì)，如果說前者用鐵氧體制作仍不失為一種經(jīng)濟(jì)的設(shè)計(jì)，那么后者在多數(shù)情況下需要用高檔金屬磁粉芯來設(shè)計(jì)。通常情況下設(shè)計(jì)扼流圈選擇磁芯體積的一般經(jīng)驗(yàn)：３kW以上：１００W/cm31－３kW：８0W/cm3２００－１kW以下：５０W/cm3２００W以下：３０W/cm3H類可以略大，A、Y類可以略??；功率越大，體積越大，取值可以越大；工作頻率越高，取值可以越大，但應(yīng)選擇相對(duì)較低的μ；散熱條件越好，取值可以越大。用金屬磁粉芯設(shè)計(jì)扼流圈的幾個(gè)注意事項(xiàng)：１）使用頻率越高，選擇越低的μ。２）半窗口（或稱３／４窗）。指在通常情況下繞線后剩余窗口直徑為原來的一半（或稱線圈占窗面積３／４）最為美觀實(shí)用，也最接近最佳設(shè)計(jì)。繞線圈數(shù)越多，鐵損越小銅損越大，反之亦反。嚴(yán)格講，滿窗口可以實(shí)現(xiàn)最高效率化，但外觀不實(shí)用。輸出扼流圈設(shè)計(jì)舉例：要求：輸出頻率50kHz(全橋25kHz整流)，Dmax=0.8，輸出DC300V*12A1)磁環(huán)選擇：H60-560兩只(Φ56*Φ32*20)，Ve=32.4cm3，

111W/cm3相關(guān)參數(shù)：Ae=2.4cm2,Le=13.5cm,AL=132nH/N22)電感計(jì)算：輸出扼流圈按Dmax情況，紋波電流按ΔI=Io*10%設(shè)計(jì)，根據(jù)Uo=L*ΔI/toff，L=300/(12*20%)*(1-0.8)/50*103=0.0005H即500μH3)圈數(shù)計(jì)算：以上結(jié)果表明，該扼流圈在流過12A直流電流時(shí)具有L=500μH.一般按L的2倍設(shè)定Lo=1mH,圈數(shù)N=(1*106/132)1/2=87Ts反推實(shí)際L：在87Ts下磁環(huán)直流磁場(chǎng)強(qiáng)度計(jì)算：根據(jù)環(huán)路定律HoLe=NI，Ho=87*12/(13.5*10-2)=7733A/m即97Oe，查表(P26)電感下降到73%,實(shí)際L=730μH4)線圈：選擇多股線Φ0.27*40根(2.29mm2)，按直流電流考慮j為5.2A/mm2。一般取j=6A/mm2左右。反推占窗比（即純銅面積占總窗口的比例）：2.29*87/π/162=25%.一般在25-30%左右正好是“半窗”，但實(shí)際制作時(shí)考慮匝間的絕緣性，提高可靠性，合股線外增加了絕緣措施，使得窗口太滿。產(chǎn)品最后定型如下：線圈：Φ0.27*40根*78Ts電感：Lo=800μH，L=624μH(Ho=87Oe,78%)鐵損計(jì)算：Uo=Ψ/toff=N*ΔB*Ae/(Doff/f)即300V=78Ts*ΔB*(2.4*10-4)m2*(50*103)/0.2推得ΔB=0.064T,Bpk=320Gs,查表(P26)磁芯功率損耗密度為21mW/cm3,總鐵損為710mW。實(shí)際工作時(shí)，占空比越?。═on越?。?，ΔB越大，鐵損會(huì)越大（一般鐵損和Bpk的2-3次方成正比）。本例中若D=0.4,則Bpk=960Gs,查表(P26)磁芯總鐵損為5.5W。設(shè)計(jì)時(shí)要考慮最小占空比的情況來計(jì)算最大鐵損。銅損計(jì)算：線圈長度大約為7m，直流電阻Rdc=17*7/2.29=52mΩ考慮合股線打彎，趨膚及鄰近效應(yīng)，交流成分有效電阻，等效直流電阻大約在70mΩ左右，銅損大約為1W。該扼流圈實(shí)際工作時(shí)，有一定的風(fēng)量，在電源最高輸入電壓（對(duì)應(yīng)最小占空比0.4）輸出滿載時(shí)，溫升大約為50℃。有源PFC電感設(shè)計(jì)舉例：要求：工作頻率50kHz，輸入220Vrms-30%，輸出DC400V*2A

1)磁環(huán)選擇：H125-399，Ve=10.5cm3，76W/cm3相關(guān)參數(shù)：Ae=1.07cm2,Le=9.84cm,AL=168nH/N22)電感設(shè)計(jì)：最大輸入峰值電流Ipk=21/2*400*2/154=7.35A,紋波電流按ΔI=Ipk*20%,此時(shí)占空比D=1-220/400=0.45.由(400-220)V=L*ΔI/(1-0.45)*(50