超微晶磁芯及其在开关电源中的应用

摘要：超微晶亦称纳米非晶，它是一种新型磁性材料。超微晶磁芯具有高磁导率、高矩形比、磁芯损耗低、高温稳定性好等优点而倍受人们青睐。以德国VAC公司生产的铁基超微晶磁芯VITROPERM500F、钴基超微晶磁芯VITROVAC 6025Z为例，介绍其性能特点以及在开关电源中的应用． 关健词：超徽晶；磁芯；开关电源 O 引言 微晶磁芯具有较高的饱和磁感应强度(1.l～1．2T)，高磁导率，低矫顽力，低损耗及良好的稳定性、耐磨性、耐蚀性，同时具有较低的价格，在所有的金属软磁材料芯中具有最佳的性价比。用于制作微晶铁芯的材料被誉为”绿色材料”，广泛应用于取代硅钢，坡莫合金及铁氧体，作为各种形式的高频(20～100 kHz)开关电源中的大中小功率的主变压器、控制变压器、波电感、储能电感、电抗器、磁放大器、饱和电抗器磁芯、EMC滤波器共模电感和差模电感磁芯、．IDSN微型隔离变压器磁芯，也广泛应用于各种类同精度的互感器磁芯。 1 超微晶磁芯的主要特点 VITROPERM 500F铁基超微晶磁芯具有以下特点： 1)极高的初始磁导率，μ=30 000～80 000，且磁导率随磁通密度和温度的变化非常小； 2)磁芯损耗极低，并且在一40～+120℃范围内不随温度而变化； 3)非常高的饱和磁通密度(Bs=1．2T)，允许选择较低的开关频率，能降低开关电源及EMI滤波器的成本； 4)磁芯采用环氧树脂封装，机械强度高，无磁滞伸缩现象，能承受强振动； 5)可取代传统的铁氧体磁芯以减小开关电源的体积．提高可靠件． 超微晶磁芯的型号很多，所传输的功率可从50 W到11kW。几种常用磁性材料的性能比较见表1。 2 超微晶磁芯在开关电源中的应用 2.1 超微晶磁芯材料在高频变压器中的应用 目前，高频变压器一般选用铁氧体磁芯。VITROPERM 5OOF铁基超微晶磁芯与德国两门子公司生产的N67系列铁氧体磁芯的性能比较，如图1所示。图1(a)为磁导率的相对变化率与温度的关系曲线；图1(b)为磁感应强度(B)与矫顽力(H)的关系曲线；图1(c)则为损耗．温度曲线。由图l(a)可见，超微晶磁芯的磁导率随温度的变化量远远低于铁氧体磁芯，可提高开关电源的稳定性和可靠性。由图l(b)可见，超微晶磁芯的／μB乘积比铁氧体磁芯高许多倍，这意味着可大大减小高频变压器的体积及重量。由图1(c)可见，当温度发生变化时，超微晶磁芯的损耗远低于铁氧体磁芯。此外，铁氧体磁芯的居里点温度较低，在高温下容易退磁。若采用超微晶磁芯制作变压器，即可将工作时的磁感应强度变化量从O．4T提高到1．OT，使功率开关管的工作频率降低到100kHz以下。 2.2 超微晶磁芯在共模电感中的应用 采用超微晶磁芯制作共模电感(亦称共模扼流圈)时，只须绕很少的匝数，即可获得很大的电感量，从而降低了铜损，节省了线材，减小了共模电感的体积。用超微晶磁芯制成的共模电感具有很高的共模插入损耗，能在很宽的频率范围内对共模干扰起到抑制作用，因而不需要使用复杂的滤波电路。分别用铁氧体磁芯、超微晶磁芯制成共模电感，二者的外形比较如图2所示。 2．3超微晶磁芯在EMI滤波器中的应用 由VAC公司生产的钴基超微晶磁芯VIT-ROVAC 6025Z，可广泛用于开关电源的EMl滤波器中，能有效地抑制由电流快速变化所产生的尖峰电压。在超微晶磁芯上绕一圈或几圈铜线，即可制成一个尖峰抑制器，其构造非常简单，而对噪声干扰的抑制效果非常好。VITROVAC 6025Z超微晶磁芯具有极低的磁芯损耗和很高的矩形比，当电流突变为零时呈现出很大的电感量，能对整流管的反向电流起到阻碍作用。由尖峰抑制器构成EMI滤波器的电路如图3所示。D1为输出整流管，D2为续流二极管。在D1.D2上分别串联一个尖峰抑制器。L为储能电感，C为滤波电容。不加尖峰抑制器时通过整流管的电流波形如图4(a)所示，IF、IR分别代表整流管的正向工作电流和反向工作电流，frr代表反向恢复时间。由图4可见，整流管在反向工作区域会产生尖峰电流，而接入尖峰抑制器后，尖峰电流就被抑制了。 尖峰抑制器典型的磁滞回线如图5所示，在到达工作点1之前(电流导通时)，磁芯处于饱和状态，具有非常低的电感量；当电流关断时到达工作点2(亦称剩磁点)时，由于整流管存在反向恢复时间，使得电流继续沿着负的方向减小，但超微晶磁芯具有非常高的磁导率，这时会呈现很大的电感量，所以它就不经过理论工作点3(该点本应对应于出现反向尖峰电流IR的时刻)，而是直接到达工作点4(即反向剩磁点)，然后又被磁化开始另一循环。这种抑制整流管尖峰电流的特性被称之为“软恢复”。图5中的IFe为激励电流。 下面介绍设计尖峰抑制器的公式。若令整流管的反向恢复时间为trr(单位取s)，反向电压为UR (V)，通过整流管的电流为IF(A)，则尖峰抑制器必须满足下述条件。 式中：Φ为磁通； S为磁芯的绕线面积。 计算铜导线线径的公式为 所须绕制的匝数为 3 结语 随着电力电子技术的发展和成熟，人们逐渐认识到磁性元件不仅是电源中的功能元件，同时其体积、重量、损耗在整机中也占相当比例。据统计，磁性元件的重量一般是变换器总重量的30％～40％，体积占总体积的20％～30％，对于模块化设计的高频电源，磁性元件的体积、重量所占的比例还会更高。另外，磁性元件还是影响电源输出动态性能和输出纹波的一个重要因素。因此，要提高电源的功率密度、效率和输出品质，就应对减小磁性元件的体积、重量及损耗的相关技术进行深入研究，以满足电源发展的需要。我们有理由相信，微晶磁芯在开关电源中将有非常宽阔的应用前景。