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。
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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
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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。
中国铁塔顺利实现首次出海为日后服务一带一路国家打下了坚实的基础
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数据链路层的作用
网络连接将会是步入VR时代的基本诉求
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百大案例 | 华为携手荷兰Serverius数据中心如何逆袭运营困境
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HD6001型多功能全自动振荡仪使用方法说明
谷歌语音输入法可离线识别啦！
CVS垂直产业链发展策略，国内互联网医疗企业应如何布局
当WiFi6撞上5G是危机还是商机
探寻ARM架构带来的能效问题