超微晶磁芯及其在开关电源中的应用 转.doc

超微晶磁芯及其在开关电源中的应用 转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.l12T)，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(20100 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，=30 00080 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=12T)，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B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O4T提高到1OT，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。23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：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3040，体积占总体积的2030，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