新的电源铁氧体磁心及其应用

新的电源铁氧体磁心及其应用
  NewPowerSupplyFerriteMagneticCoreandItsApplication
  1引言
  当前高频开关电源已经在计算机、通信及广播电视等电子设备中得到了广泛应用，这种电源的主变压器及扼流圈等均使用软磁铁氧体磁心。软磁铁氧体材料的工业生产已有40多年历史，国内生产企业很多，个别企业已实现规模生产，产品质量已接近或达到国际水平。早期，软磁铁氧体主要制作弱磁场范围的电感器件，80年代以后，在大磁场下，应用的软磁铁氧体(主要是MnZn系列)产量不断增长。因此，80～90年代世界软磁铁氧体产量仍保持强劲发展的势头，应首先归功于高频电源铁氧体材料的开发和应用。据估计，目前功率铁氧体材料产量已占软磁铁氧体总量的50％左右(按重量计)。
  随着电子设备的小型化和轻量化，要求电源也必须实现小型、薄形和轻量。提高开关频率是满足上述要求的最好方法；连带的问题是开发适用于更高工作频率的新型铁氧体材料。近年来，国内外主要铁氧体厂商致力于开发新的功率铁氧体材料〖1〗。国内已经开发出适用于开关频率为100～500kHz及500kHz～1MHz的新型铁氧体材料。此外，为适应高频开关电源变压器的设计，有人提出新的设计参数，开发了适合高频应用的小型化的新型磁心尺寸系列。所有这些工作，均为高频开关电源的发展铺平了道路。
  2功率铁氧体材料的技术性能及发展动向
  软磁铁氧体材料主要有MnZn、NiZn、MgZn系三大类。其中MnZn系铁氧体材料有高的磁导率和较高的饱和磁感应强度，在1MHz以下有低的磁损耗，所以更适合于大功率使用。目前，功率铁氧体材料主要应用于高压变压器(如电视机行输出变压器)，开关电源变压器、扼流圈及其它变压器（如驱动变压器）等，上述应用对铁氧体材料主要电磁特性要求可归纳以下三点：
  （1）饱和磁感应强度Bs要尽可能高；
  （2）磁心功率损耗Pc在实际工作频率和工作温度范围（如60～100℃）要尽可能低；
  （3）磁导率（通常指大磁场下振幅磁导率μa或交直流叠加下增量磁导率μ△）要适当地高。
  附加的要求还有居里点要高（通常大于200℃）。对于工作频率高于100kHz的高频开关电源变压器，还要求材料电阻率高，以降低涡流损耗。
  国内功率铁氧体材料应用和开发大致可分为四个阶段：
  第一阶段，70年代到80年代中期。功率铁氧体材料主要用作黑白或彩色电视机的行输出变压器，其实际工作频率为15～100kHz，通常采用U形磁心，典型的国产铁氧体材料有R1.5K、R2KD等，相当的国外材料有日本TDK公司的H3T材料。
  第二阶段，80年代初到中、后期。功率铁氧体材料在彩电和计算机开关电源中得到大量采用，其工作频率为20～100kHz，通常采用EE、EI、EC或ETD型磁心。典型的国产铁氧体材料有R2KBD。相当的国外材料有日本TDK公司的PC30材料。
  第三阶段，80年代后期到90年代初期。为了缩小电源体积和减轻重量，开关电源工作频率提高到100～500kHz，在此频率范围铁氧体磁心的涡流损耗上升，在磁心损耗中居主要支配地位〖2〗，必须从化学成分和微观结构两方面进行改进，提高材料电阻率。为此，开发的国产铁氧体有R2KB1材料。相当的国外材料有日本TDK公司的PC40材料。
  第四阶段，90年代初期到中期，国内外均着力开发适用于500kHz～1MHz开关频率的新材料。典型的国产铁氧体材料有R1.4K材料。相当的国外材料有日本TDK公司的PC50材料（上述材料技术指标见表1）。
  关于供1MHz～3MHz开关电源用的新铁氧体材料，目前国外尚处于研制阶段。已取得成果的报导有荷兰飞利浦公司的3F4材料，可使用到3MHz；日本富士公司的7H10材料，日本东北金属公司的B40材料，可使用到2MHz。
  3开关电源变压器的设计应用
  图1功率铁氧体材料电磁特性

项目	中国898厂				日本TDK公司
R2KD	R2KBD	R2KB1	R1.4K	H3T	PC30	PC40	PC50
初始磁导率μi饱和磁通密度Bs(mT)剩磁Br(mT)矫顽力Hc(A/m)	250048012016	250051011712	23005109514.3	140048519035	190050019020	250051011714	23005109514.3	140047019035
磁心损耗Pc(mW/cm3)		165115155	600450410	1308090		13090100700500600	1208070600450410	1308080
25kHz200mT25℃60℃100℃100kHz200mT25℃60℃100℃500kHz50mT25℃60℃100℃	58＊53＊
居里点Qc(℃)	200	230	215	240	200	230	215	240
电阻率ρ(Ω·cm)	100	1000	650		30	1000	650
密度D（g/cm3）	4.8	4.8	4.8	4.8	4.8	4.8	4.8	4.8

  ＊在16kHz、150mT测量
  　　开关电源变压器的设计工作中，有关铁氧体磁心的设计考虑如下参数：
  （1）材料性能因子开关电源变压器的设计方法很多，但设计自由度受到如下限制：
  1）磁心饱和限制；
  2）磁心损耗限制；
  3）调整度限制。
  　　当我们设计高频开关电源变压器时，应主要考虑磁心损耗限制。众所周知，在高频通密度下，磁心总损耗Pc由下式表示：
  Pc=kfmBn(1)
  式中，k—常数；f—频率；B—工作磁通密度；
  　　n—指数，对于功率铁氧体材料，典型值为2.5；
  　　m—指数，在f=10～100kHz时，应考虑涡流损耗，此时m=1.3，当频率提高到100kHz上时，m要增大。
  　　由上式可见，提高工作磁通密度，磁心损耗将以2.5次方增加，引起变压器升温；因此变压器设计时，磁心损耗限制值也限定了最高工作磁通密度。同时，提高开关频率，磁心损耗也要相应增加。所以在进行变压器设计时，磁心损耗200mW/cm3是一个适宜的限制值[3]。在规定的磁心损耗下，提高工作频率，必须相应降低工作磁通密度值。图1示出飞利浦公司的三种铁氧体材料，规定磁心损耗为200mW/cm3时磁感应强度与频率的关系曲线。对材料B、C来说，当开关频率为100kHz时，可允许的工作磁通密度为100mT；当频率提高到500kHz时，可允许的工作磁通密度将降低到50mT以下。改进铁氧体材料（如采用A材料），可提高高额下允许的工作磁通密度极限。因此，Stijntjen[3]提出了一个新的设计参数—材料因子PF200，作为变压器允许功率的设计限制因子。这里的PF200定义为磁心材料损耗为200mW/cm3时的工作频率f和工作磁通密度的乘积。
  
  图1三种材料在200mV/cm3功耗值时磁感应强度
  　　图2是几种铁氧体材料性能因子PF200与频率的关系，图中3C85、3F3、3F4均为MnZn铁氧体，而4F1是NiZn铁氧体。可见，当开关频率提高到1MHz以上时，NiZn铁氧体可能显示出更为优越的性能。

  图2功率铁氧体材料性能因子
  （2）磁心尺寸考虑众所周知，磁心有效截面积和窗口面积将直接影响变压器的传输功率。德国西门子公司列出了变压器最大传输功率P的表达式：
  　　P=Cf△BJFcuSaSe(2)
  式中，C—与变换器工作方式有关的常数，如推挽式C=1；单端正激式，C=0.71；单端反激式，C=0.61。
  　　J——电流密度。Fcu——铜占因子。
  　　Sa——窗口面积。Se——磁心有效载面积。
  　　在西门子公司产品目录中，已列出最大传输功率与磁心尺寸的关系曲线，图3是一个实例。该图表明100～200kHz工作频率的单端正激型变换器，各种磁心尺寸与最大传输功率的关系。对一定尺寸的磁心来说，提高工作频率，可相应地提高传输功率。
  　
  如采用ETD39磁心，在100kHz时可传输功率400W，而200kHz时传输功率可提高到600W。
  
  （3）磁心形状考虑功率变压器磁心形状应考虑大电流引出线及容易散热，对高频变压器还应考虑屏蔽，防止杂散磁场干扰。关于磁心损耗（Pc）与温升的关系，可用下式表示：
  　　Pc=△T/Rth(2)
  式中，△T—磁心温升；
  Rth—热阻。
      降低热阻可提高磁心的功率承受能力；而热阻又近似地与磁心表面积成反比。因此在磁心形状设计中加大背部或外翼尺寸，将它变宽变薄，使暴露的铁氧体面积增大，可以降低热阻。
      早期，电源变压器使用的磁心形状为EE或EI形，这类磁心制造工艺简单，成本较低，散热好，便于大电流引出；缺点是方形中心柱，给线圈绕制带来不便。现在，主要使用EC或ETD铁氧体磁心，这类磁心中心柱改为园形，由于园形绕组线长比方形绕组缩短11％，从而降低了线圈铜损。为了适应高频电源变压器的发展，最近国际标准已扩展了ETD磁心尺寸系列（由四种扩展为九种），具体尺寸为ETD19、24、29、34、39、44、49、54、59。一种新的PQ型磁心，因为背部面积较大，更有利于散热，最近在电源变压器方面已获得应用。此外，PM或RM型磁心，也可用于高频变换器，因为这种磁心有良好的屏蔽和大的出线槽口，有人指出，EE42磁心杂散磁场要比RM型磁心高5倍。对高于1MHz的谐振式变压器，为了使热阻最小，需要一种具有最大暴露表面的扁薄形磁心形状，已有报道采用LP23/8磁心〖4〗，制成最高工作频率1MHz的低漏感的100W功率变压器。