磁性材料应用课件

软磁材料的应用一．软磁材料分类及应用

磁性材料从特性及应用分为软磁、硬磁、旋磁、矩磁、压磁等，其中软磁应用最为广泛，几乎所有感性器件（电感、变压器、传感器等）都离不开软磁材料。

软磁材料的主要性能参数及主要应用方向

二．我公司软磁材料

主要类别及优势

北京七星飞行电子有限公司（国营第798厂）是国内最早生产磁性材料的厂家之一，也是目前国内软磁材料行业品种最全、专业开发能力最强的专业厂家，多年来一直在开发研制各类独特性能的软磁材料，为航天、航空、电子、兵器、船舶等领域研制生产配套产品和服务，在军工领域享有较高的声誉。以下为我公司主要软磁材料系列：1．

金属磁粉芯2．

Mn-Zn铁氧体3．

Ni-Zn铁氧体4．

非晶微晶非晶微晶材料主要用于制造以下产品：1）

开关电源变压器及扼流圈一般情况下，就功耗而言，非晶材料在1-10kHz内优于铁氧体，20kHz以上劣于铁氧体；超微晶材料在50kHz内优于铁氧体，100kHz以上劣于铁氧体。一般非晶主要用在50kHz以内的场合，超微晶材料用在300kHz以内的场合。由于非晶微晶材料的Bs远高于铁氧体，因此变压器选择较高的ΔB（一般用在较低频率或频率较高但散热条件很好的情况）或扼流圈选择较大的偏磁场情况下仍然能够正常工作。但是非晶微晶材料的抗振动能力差，在如车载、机载场合一般比较难达到可靠性要求，必须对材料作特殊防振工艺处理。2）

电感滤波器用非晶微晶制造的共模滤波器，在500kHz以下具有很高的阻抗，1MHz以上阻抗会下降；差模滤波器（有气隙使用）尽管偏磁性优于铁氧体，但由于非晶微晶材料本身频谱的特点，在较高频率下会比铁氧体差。3）

脉冲变压器、传感器利用某些非晶微晶（如Co基非晶）高矩磁比的特性。

Ni-Zn铁氧体适用不同的工作频率，Ni-Zn材料的μi在5-1300之间。和国内同行相比，我公司Ni-Zn材料品种最为齐全，性能优越。针对用户不同的要求，我们研制出适宜于各个频段的弱信号滤波材料及大信号的功率材料，对于弱信号滤波材料，我们的主要特点是温度系数明显低于国内同行，Q值较高，对于功率材料，我们的主要特点是损耗低，适用频带宽。三．Mn-Zn铁氧体Mn-Zn铁氧体是80年代兴起的一种新型的高频磁性材料，它同时带动了开关电源突飞猛进的发展。铁氧体是采用陶瓷工艺制成的一种黑色陶瓷，具备了在10kHz以上叵莫合金无可比拟的优势——损耗小，价格低廉、易成型。我公司Mn-Zn铁氧体从材料特性区分可以分为三类，其中高稳定性材料系列是我公司最具特色、优于国内同行的产品，已经广泛应用在军工领域。高导材料一般用于制作共模滤波器电感。以下为同等条件下（同样结构尺寸、线圈）用不同材料制作的共模滤波器的高频阻抗情况。通常情况下，建议选用R6k或R8k材料会确保在1MHz左右阻抗较大。下面是一般情况下设计磁芯ΔB的选择：25kHz—3000Gs50kHz—2000Gs100kHz—1500Gs200kHz—1000Gs散热条件越好，取值可以越大。当然，在频率更低选择更大ΔB或者在单端反激模式（有直流偏磁）情况下要注意防止磁芯饱和（考虑最高工作温度下Bs）。设计变压器的几个注意事项：1）根据频率、功率选择适当的磁芯，选择适当的ΔB。2）满窗口。指在确保安全指标的情况下，尽量占满绕线窗口，可以实现最大功率密度。环型变压器例外。3）等同电流密度。指设计保证每个绕组电流密度一致。一般要保证以下公式成立：ApNp=1.05ΣAs×Ns其中Ap、As为初、次级绕组铜截面积，Np、Ns为初、次级匝数，1.05是考虑初级空载电流的情况。需要注意的是如果某个绕组存在工作一半时间的情况（如推挽变压器的初级、全波整流时次级带中心抽头），绕组铜截面积要减少为设计值的0.707倍。当然要适当考虑内外绕组的散热情况的不同。一种变压器设计例：PWM全桥，f=25kHz,Dmax=0.8Input:三相整流，最低输入电压Umin=537V*80%=430VOutput:DC300V*30A桥式整流设计如下：磁芯选择：按8W/g计，磁芯重量大约1.1Kg，选R2kB1Φ100*50*40，Ae=10cm2Np计算：根据电磁感应定律E=ΔΨ/ton即Umin-10V=Np*Ae*ΔB*2f/DmaxΔB选0.27T，10V为功率管压降。计算得Np=24.9，取Np=25TsNs计算：Ns=(300V+10V)/(430V-10V)/Dmax*Np=23.1，取Ns=23Ts绕组铜截面计算：次级流出平均电流30A，但有效电流要稍大，为简化计算，按30A考虑，j取较小的5A/mm2，初、次级铜截面均取6mm2。金属磁粉芯的制造工艺概述金属磁粉芯是一种粉末冶金产品。我公司研制生产金属磁粉芯产品已有20多年的历史，是国内唯一的一家自主开发、从基础原材料到成品生产工艺全过程生产各类金属磁粉芯全系列产品的厂家，多年来一直为军工配套，近几年在民品领域取得很大的进展，几乎以每年翻番的速度发展。金属磁粉芯制造工艺大致如下：金属磁粉芯的分类及主要性能指标

金属磁粉芯主要材料性能比较

说明：1）功耗因子是指在频率大约在25kHz，Bm大约在1000Gs情况下损耗相对值。2）价格因子是指目前民品市场平均相对价格。铁粉芯：1P主要用作制造差模滤波器3P主要用作制造差模滤波器，也可以用在对损耗要求不高的场合制造扼流圈4P主要用作制造频率相对较低（<50kHz）的扼流圈（如UPS输出扼流圈）一般而言，作为功率扼流圈，铁粉芯主要用于50kHz以下的频段，高出此频段损耗太大（正如硅钢片用在1kHz以上频段）。必须注意，在上述金属磁粉芯中，只有铁粉芯具有相对较大的磁致伸缩因子，所以在应用到含有音频功率信号的场合经常会听到噪声。铁粉芯在军工领域应用很少。羰基铁:基于其宽频带（500MHz以内）、高Q（指在弱信号下损耗很小）、高可靠性，主要用于高频电感、调芯电感等小电感的制作。高磁通粉芯（HI-FLUX）：高磁通粉芯由于具有最好的直流偏磁性（缘于最高的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实现体积最小化，同时高磁通粉芯是军工领域制造差模滤波器最理想的材料，与铁粉芯相比同样的滤波器体积其电感量在两倍以上，同时在更高的频带差模滤波效果会更好。我公司自主开发的高磁通材料综合性能与国外最好的同类型材料相比近乎相同。铁硅铝粉芯(SENDUST)：铁硅铝粉芯与高磁通相比尽管偏磁性较差，但具有较低的功耗，价格低廉，所以在民用领域应用最为广泛，主要用于制作功率扼流圈。我公司生产的铁硅铝粉芯与国外最好的同类型材料相比，偏磁性指标略好，但在50kHz以内损耗略高，50kHz以上相当。铁硅铝粉芯是我公司在民品市场权重最大的金属磁粉芯材料。铁镍钼粉芯(MPP)：铁镍钼粉芯的特点是损耗最小，温度系数最小，磁导率范围宽（国外可达550，我公司实验水平可到300），主要用于制作功率扼流圈，是制作对功耗要求较高的谐振电感最理想的材料，但偏磁性最差。目前，铁镍钼材料在国内军工领域应用最为广泛，也是我公司企军标产品系列最多的金属磁粉芯材料。高磁通、铁硅铝、铁镍钼粉芯一般称高档金属磁粉芯，目前在国内只有我公司真正具备研制及规模生产的能力。遗憾的是，由于高档金属磁粉芯在国内推广很慢，国内大多数电源工程师对金属磁粉芯的认识远不及铁氧体，因此目前国内研制的多数含扼流圈产品主要采用了铁氧体开气隙的方式制作，近几年随着人们对此类材料的逐步认识，特别是看到国外电源大量采用金属磁粉芯并收到良好的效果，高档金属磁粉芯应用正在逐步扩大。高档金属磁粉芯制作的扼流圈一般应用频率在300kHz以内。通常情况下，使用频率低/高宜选用高/低磁导率。用高档金属磁粉芯制作扼流圈和用用铁氧体开气隙相比具有如下特点：1）前者使用温度范围宽。金属磁粉芯材料本身可以工作在-55℃~+300℃内，而最好的铁氧体材料工作温度范围在-55℃~+125℃内。2）前者温度系数比后者小。3）前者Bs比后者高得多（特别在高温下），这使得达到同样的电感，前者体积比后者小得多，前者功率密度高，但前者整体损耗大于后者。另外，前者的偏磁特性曲线呈现出“不饱和”特性对于电路的可靠性尤为重要。4）前者由于其闭合磁路的特点，其电磁兼容特性要远远优于磁路开路铁氧体功率电感，前者使用时产生的电磁干扰及抗干扰能力比后者优1-2个数量级。这一点对于军用尤为重要。5）金属磁粉芯系粉末冶金工艺产品，而铁氧体系陶瓷烧结工艺产品，两类不同材料的芯体决定了前者比后者具备更优良的机械性能（耐振动、冲击等）。6）由于两种磁性材料制作工艺的不同决定了金属磁粉芯的性能的一致性及稳定性，从而使金属磁粉芯扼流圈更具可靠性，再则用金属磁粉芯设计扼流圈计算简洁，几乎不必再经实际测试进行设计调整。金属磁粉芯作为差模滤波电感的设计比较简单，一般根据电流选择适当线经，在磁环上排绕单层即可，既实用又美观，有时占窗更多以实现更好滤波效果。金属磁粉芯作为无源PFC电感的设计一般为追求最大电感，通常按半窗口（后述）或更多占用窗口设计。金属磁粉芯磁环的三个尺寸的设计是遵循一般规则的，这使得运用金属磁粉芯磁环设计功率电感即使绕线过满也不会导致磁芯进入准饱和状态。运用高档金属磁粉环制作扼流圈的设计最常见的是开关电源输出扼流圈（BUKE）及有源PFC电感（BOOST）的设计，如果说前者用铁氧体制作仍不失为一种经济的设计，那么后者在多数情况下需要用高档金属磁粉芯来设计。通常情况下设计扼流圈选择磁芯体积的一般经验：３kW以上：１００W/cm31－３kW：８0W/cm3２００－１kW以下：５０W/cm3２００W以下：３０W/cm3H类可以略大，A、Y类可以略小；功率越大，体积越大，取值可以越大；工作频率越高，取值可以越大，但应选择相对较低的μ；散热条件越好，取值可以越大。用金属磁粉芯设计扼流圈的几个注意事项：１）使用频率越高，选择越低的μ。２）半窗口（或称３／４窗）。指在通常情况下绕线后剩余窗口直径为原来的一半（或称线圈占窗面积３／４）最为美观实用，也最接近最佳设计。绕线圈数越多，铁损越小铜损越大，反之亦反。严格讲，满窗口可以实现最高效率化，但外观不实用。输出扼流圈设计举例：要求：输出频率50kHz(全桥25kHz整流)，Dmax=0.8，输出DC300V*12A1)磁环选择：H60-560两只(Φ56*Φ32*20)，Ve=32.4cm3，

111W/cm3相关参数：Ae=2.4cm2,Le=13.5cm,AL=132nH/N22)电感计算：输出扼流圈按Dmax情况，纹波电流按ΔI=Io*10%设计，根据Uo=L*ΔI/toff，L=300/(12*20%)*(1-0.8)/50*103=0.0005H即500μH3)圈数计算：以上结果表明，该扼流圈在流过12A直流电流时具有L=500μH.一般按L的2倍设定Lo=1mH,圈数N=(1*106/132)1/2=87Ts反推实际L：在87Ts下磁环直流磁场强度计算：根据环路定律HoLe=NI，Ho=87*12/(13.5*10-2)=7733A/m即97Oe，查表(P26)电感下降到73%,实际L=730μH4)线圈：选择多股线Φ0.27*40根(2.29mm2)，按直流电流考虑j为5.2A/mm2。一般取j=6A/mm2左右。反推占窗比（即纯铜面积占总窗口的比例）：2.29*87/π/162=25%.一般在25-30%左右正好是“半窗”，但实际制作时考虑匝间的绝缘性，提高可靠性，合股线外增加了绝缘措施，使得窗口太满。产品最后定型如下：线圈：Φ0.27*40根*78Ts电感：Lo=800μH，L=624μH(Ho=87Oe,78%)铁损计算：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)磁芯功率损耗密度为21mW/cm3,总铁损为710mW。实际工作时，占空比越小（Ton越小），ΔB越大，铁损会越大（一般铁损和Bpk的2-3次方成正比）。本例中若D=0.4,则Bpk=960Gs,查表(P26)磁芯总铁损为5.5W。设计时要考虑最小占空比的情况来计算最大铁损。铜损计算：线圈长度大约为7m，直流电阻Rdc=17*7/2.29=52mΩ考虑合股线打弯，趋肤及邻近效应，交流成分有效电阻，等效直流电阻大约在70mΩ左右，铜损大约为1W。该扼流圈实际工作时，有一定的风量，在电源最高输入电压（对应最小占空比0.4）输出满载时，温升大约为50℃。有源PFC电感设计举例：要求：工作频率50kHz，输入220Vrms-30%，输出DC400V*2A

1)磁环选择：H125-399，Ve=10.5cm3，76W/cm3相关参数：Ae=1.07cm2,Le=9.84cm,AL=168nH/N22)电感设计：最大输入峰值电流Ipk=21/2*400*2/154=7.35A,纹波电流按ΔI=Ipk*20%,此时占空比D=1-220/400=0.45.由(400-220)V=L*ΔI/(1-0.45)*(50