電源中電子變壓器技術(shù)的一些新進(jìn)展

1、電源中電子變壓器技術(shù)的一些新進(jìn)展作者:徐澤瑋摘要:電源中電子變壓器所用的鐵心材料和導(dǎo)電材料價(jià)格連續(xù)上漲, 上游原材料形成賣(mài)方市 場(chǎng)。作為下游的電子變壓器的電源用戶(hù),可以在全球范圍內(nèi)選擇和采購(gòu),形成買(mǎi)方市場(chǎng)。處 于中間位置的電子變壓器行業(yè), 只有走技術(shù)創(chuàng)新之路, 才能擺脫這種兩頭受氣的困境。 本文 從新材料、新結(jié)構(gòu)、新原理、新產(chǎn)品四個(gè)方面介紹近年來(lái)電源中電子變壓器的一些新進(jìn)展。關(guān)鍵詞:電子變壓器,電源管理,無(wú)源元件引言近年來(lái), 電源中電子變壓器所用的鐵心材料和導(dǎo)電材料價(jià)格連續(xù)上漲, 上游原材料形成賣(mài)方 市場(chǎng)。作為下游的電子變壓器的電源用戶(hù),可以在全球范圍內(nèi)選擇和采購(gòu),形成買(mǎi)方市場(chǎng)。 處于中間位置

2、的電子變壓器行業(yè), 只有走技術(shù)創(chuàng)新之路, 才能擺脫這種兩頭受氣的困境。 然 而,在成熟的電子變壓器行業(yè)里,技術(shù)創(chuàng)新比較困難。但是每一個(gè)細(xì)小環(huán)節(jié)的改進(jìn),就可以 帶來(lái)新的理念和新的產(chǎn)品。因此,本文從新材料、新結(jié)構(gòu)、新原理、新產(chǎn)品四個(gè)方面介紹近 年來(lái)電源中電子變壓器的一些新進(jìn)展,供讀者參考,如果有什么不當(dāng)之處敬請(qǐng)指正。走技術(shù)創(chuàng)新之路, 要時(shí)刻記住要達(dá)到的目的。 電源中的電子變壓器, 象所有作為商品的產(chǎn)品 一樣進(jìn)行任何技術(shù)創(chuàng)新,都必須在具體使用條件下完成具體功能中,追求性能價(jià)格比最好。 現(xiàn)在的電源產(chǎn)品,普遍以 “ 輕、薄、短、小 ” 為特點(diǎn)向小型化和便攜化發(fā)展。電子變壓器必須 適應(yīng)作為用戶(hù)的電源產(chǎn)品對(duì)

3、體積和重量的要求。 同時(shí), 電子變壓器的原材料 (鐵心材料和導(dǎo) 電材料價(jià)格上漲。因此,如何減小體積和重量,如何降低成本,成為近年來(lái)電子變壓器發(fā) 展的主要方向。1 新材料1.1硅鋼硅鋼是工頻電源中電子變壓器大量使用的鐵心材料。 要減少電子變壓器中的鐵心用量, 必須 提高硅鋼的工作磁通密度(工作磁密 。硅鋼的工作磁密既決定于飽和磁通密度,又決定于 損耗。因?yàn)樾适请娮幼儔浩鞯闹匾阅苤笜?biāo),現(xiàn)在,為了節(jié)能,許多電源產(chǎn)品都提出待機(jī) 損耗要求。 電子變壓器的鐵心損耗是待機(jī)損耗的主要組成部分, 因此, 都對(duì)電子變壓器的效 率或損耗提出明確的嚴(yán)格要求。近年來(lái),取向和無(wú)取向冷軋硅鋼價(jià)格上漲,卷繞式環(huán)形鐵心,相

4、比于 R 型、 CD 型和 EI 型 鐵心,由于消耗材料少,可以節(jié)約 20%以上的鐵心材料成本,擴(kuò)大了電子變壓器中的使用 范圍。 卷繞式環(huán)形鐵心可以充分發(fā)揮取向冷軋硅鋼的性能, 與無(wú)取向冷軋鋼相比, 工作磁密 要高得多。同時(shí)不象 R 型、 CD 型和 EI 型的鐵心那樣,可以充分利用硅鋼材料,不會(huì)有邊 角廢料,材料利用率可以達(dá)到 98%以上。近年來(lái),冷軋取向硅鋼有相當(dāng)大的改進(jìn)。國(guó)產(chǎn) 23Q110 的 0.23mm 取向冷軋硅鋼,在工作磁 通密度 1.7 T和 50 Hz 下,單位重量損耗為 1.10 W/kg。日本產(chǎn)的 0.23 mm 厚度的取向冷軋硅鋼 P1.7/50 為 0.88W/kg。

5、硅鋼帶材表面處理后涂張力涂層, P1.7/50下降到 0.7W/kg。改 變退火工藝,細(xì)化磁疇, P1.7/50再下降到 0.550.45W/kg,遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于 0.35mm 厚無(wú)取向冷軋 硅鋼在工作磁密 1.5T 和 50Hz 下 (P1.5/50 的 2W/kg。 在保證同樣損耗條件下, 0.23mm 厚 度取向冷軋硅鋼工作磁密度可以達(dá)到 1.85T ,如果選取它加工環(huán)形鐵心,比用無(wú)取向冷軋硅 鋼的工作磁密 1.5 T 高 1.23 倍,鐵心截面和體積可減少 23%以上?，F(xiàn)在手機(jī)充電器和家用電器的電源適配器中,大量使用 EI 型鐵心工頻電源變壓器,有時(shí)會(huì) 出現(xiàn)過(guò)熱現(xiàn)象。 EI 型鐵心由 EI

6、形沖片疊成, E 形沖片中有五分之一長(zhǎng)度與縱向(取向方 向正交,要承受橫向磁場(chǎng),一般都用無(wú)取向冷軋硅鋼。近年來(lái)日本川崎公司開(kāi)發(fā)出可用于 EI 型鐵心的 RGE 系列取向冷軋硅鋼,厚度為 0.35 mm,縱向飽和磁密為 1.801.90 T,橫向 飽和磁密為 1.825T ,損耗 P1.7/50為 1.101.25W/kg。同時(shí),絕緣膜比較薄,沖壓加工性能 良好,用它制作鐵心,工作磁密可取 1.7T 以上,比用無(wú)取向冷軋硅鋼高 15%,鐵心截面和 體積可以減少 15%以上,損耗也大大下降,不會(huì)再出現(xiàn)過(guò)熱現(xiàn)象。日本川崎公司還開(kāi)發(fā)出 飽和磁密高的無(wú)取向冷軋鋼,厚度為 0.5mm ,硅含量小于 1%,

7、為 0.6%,鋁含量為 0.3%, 加 0.52%鎳后,飽和磁密為 1.96T ,損耗 P1.5/50為 3W/kg。采用它作為 EI 型鐵心材料,工 作磁密也可取 1.7T ,但損耗較大。值得注意的是:作為電子變壓器一大類(lèi)的工頻變壓器, 采用工作磁密高的鐵心材料后, 可以 不減少鐵心截面和體積, 而是減少線圈匝數(shù), 減少用銅量。 在現(xiàn)在銅材價(jià)格遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于鐵心材 料的情況下,可能是更好的一種設(shè)計(jì)改進(jìn)方案。1.2軟磁鐵氧體軟磁鐵氧體是中、 高頻電源中電子變壓器大量使用的鐵心材料, 和金屬軟磁材料相比, 軟磁 鐵氧體的飽和磁密低,磁導(dǎo)率低,居里溫度低,是它的幾大弱點(diǎn)。尤其是居里溫度低,飽和 磁密 B

8、s 和單位體積功率損耗 Pcv 都會(huì)隨溫度變化。溫度上升, Bs 下降, Pcv 開(kāi)始下降, 到谷點(diǎn)后再升高。因此在高溫條件下,只要 Bs 保持較高水平,就可以把工作磁密 Bm 選得 高一些,從而減少線圈匝數(shù),降低用銅量和成本。高溫高飽和磁密軟磁鐵氧體材料,還可以 擴(kuò)大電子變壓器使用的溫度上限到 120益甚至 150益。 例如, 汽車(chē)用電子設(shè)備中的高頻電子 變壓器, 在外界溫度條件變化大和發(fā)動(dòng)機(jī)室發(fā)熱的高溫條件下工作, 就必須采用高溫高飽和 磁密軟磁鐵氧體。作為中、高頻電子變壓器用的 MnZn 軟磁鐵氧體,以日本 TDK 公司為代表,大致經(jīng)歷了 PC30 PC40 PC44 PC50 PC47

9、 PC95 PC90的發(fā)展過(guò)程。在 100、 100kHz 、 200mT 測(cè)試條件下, 單位體積功率損耗不斷下降。 根據(jù)該公司 2006年 4 月份公布的數(shù)據(jù), PC30 為 600mW/cm3; PC40 為 420 mW/cm3; PC44 為 340 mW/cm3; PC47為 270 mW/cm3。但是 100益下的飽和磁密 Bs , PC30、 PC40、 PC44 基本上都為 390 mT, PC47 為 410 mT,與理 論值 600 mT 相差甚遠(yuǎn),不能認(rèn)為是高溫高飽和磁密材料。近年來(lái),為了在電子變壓器應(yīng)用領(lǐng)域和金屬軟磁材料競(jìng)爭(zhēng),興起一輪開(kāi)發(fā)高溫高飽和磁密 MnZn 鐵氧體

10、材料的熱潮。日本 FDK 公司于 2003年 3 月份開(kāi)發(fā)出 4H 系列高溫高飽和磁 密材料。 其中 4H45 和 4H47 在 25下, Bs 分別為 520 mT和 530mT , 100下分別為 450mT 和 470mT ,但在 100下,功率損耗 Pcv 比較高,分別為 450mW/cm3和 650mW/ cm3。據(jù) 稱(chēng), FDK 公司在實(shí)驗(yàn)室條件下開(kāi)發(fā)出 4H50 材料, 100下 Bs 為 490 mT,但是 Pcv 相當(dāng)大,為 800mW/ cm3。日本 TDK 公司于 2004 年 9月開(kāi)發(fā)出 PC90 材料,在 25下, Bs 為 540mT , Pcv 為 680 mW/

11、 cm3; 在 100下, Bs 為 450 mT, Pcv 為 320mW/ cm3, 高于 4H45 材料水平。 TOKIN 公司開(kāi)發(fā)出 BH3 材料, 在 25下, 其 Bs 為 540 mT, Pcv 為 600 mW/ cm3; 而在 100下, Bs 為 440 mT, Pcv 為 370 mW/ cm3。 NICERA 公司開(kāi)發(fā)出 BM30 材料, 25下 Bs 為 540 mT, Pcv 為 720 mW/ cm3; 在 100下, Bs 為 450mT , Pcv 為 320mW/ cm3。 日立金屬公司開(kāi)發(fā)出來(lái)的高鐵低鋅鐵氧體材料, Bs 在 25下, 為 563 mT;

12、在 100下為 560 mT ,基本不變, 150為 490 mT,但是在 100、 100 kHz、 200 mT 測(cè)試條件下, Pcv 為 1700mW/ cm3,偏高,需要改進(jìn)。許多電源設(shè)備不但要求電子變壓器在工作狀態(tài)下, 也就是在高溫時(shí)損耗要小, 同時(shí)還要求待 機(jī)情況下,也就是在常溫時(shí)損耗也要小。這些電子變壓器可以采用寬溫低功耗軟磁鐵氧體。 日本 TDK 公司開(kāi)發(fā)的 PC95 就是近年來(lái)出現(xiàn)的高水平寬溫鐵氧體材料。 25時(shí),功耗 Pcv 為 350mW/ cm3, 80時(shí)為 280mW/ cm3, 100為 290mW/ cm3, 120時(shí)為 350mW/ cm3, 在 100時(shí)飽和磁

13、密為 410mT 。近年來(lái), 還開(kāi)發(fā)出一系列高磁導(dǎo)率 軟磁鐵氧體材料, 作為電子電源設(shè)備中脈沖變壓器用的, 要求磁導(dǎo)率 相對(duì)較高, 有 TDK 公司的 H5C3, 為 15 00030%, H5C5, 為 30 00030%。 EPCOS 公司的 T56, 為 2000030%。作為電磁干擾濾波用的,要求磁導(dǎo)率頻率特性好, 有 TDK 公司 HS52, 為 5 50025%; HS72, 為 7 50025%; HS10, 為 1000025%。 HITACHI 公司的 MP15T , 為 1500025%,都可以在 500kHz 以下工作。作為直流濾波用 的,要求直流疊加特性好,有 TDK

14、公司的 DN45, 為 450025%,使用溫度 070,和改 進(jìn)后的 DNW45, 為 4 20025%,使用溫度 -40 +85,川崎公司的 SK-202G ,使用溫度 -40 +85, 為 430025%,以及高飽和磁密高磁導(dǎo)率材料,如 TDK 公司的 DN50, 為 5 20020%, Bs 在 25時(shí)為 550 mT, 100時(shí)為 380 mT,居里溫度 Tc 210。1.3 非晶和納米晶合金自 2005年初起,由于取向冷軋硅鋼帶材國(guó)內(nèi)供需不平衡,取向冷軋硅鋼帶材料價(jià)格迅速上 漲, 現(xiàn)在已超過(guò)鐵基非晶合金帶材的價(jià)格。 在現(xiàn)在這個(gè)市場(chǎng)價(jià)格條件下, 鐵基非晶合金在工 頻電源變壓器領(lǐng)域中代

15、替取向冷軋硅鋼, 不再只是可能的事情, 已經(jīng)變成了現(xiàn)實(shí)。 在電力變 壓器行業(yè), 配電變壓器生產(chǎn)廠紛紛把鐵心材料從取向冷軋硅鋼轉(zhuǎn)向鐵基非晶合金。 同時(shí), 從 2006 年 7 月 1 日起,強(qiáng)制性國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) “ 配電變壓器的能效限定值及節(jié)能評(píng)估值 ” 正式實(shí)施, 更加推動(dòng)了配電變壓器中用鐵基非晶合金代替取向冷軋硅鋼的熱潮。 和配電變壓器一樣, 工 頻電源變壓器中鐵基非晶合金代替取向冷軋硅鋼, 將會(huì)成為電源中電子變壓器的一個(gè)主要的 新進(jìn)展。為什么呢?從表 1 中取向冷軋硅鋼與鐵基非晶合金技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)對(duì)比就可以看出 其中的原因。表 1 中取向冷軋硅鋼以日本生產(chǎn)的高磁感 23R100和磁疇處理 23R0

16、85 為例, 鐵基非晶合金 以國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的 1K101 和日本日立公司生產(chǎn)的 Metglas 2605SA1 為例, 從表 1 中可以看出以 下特點(diǎn)。 (1鐵基非晶合金的飽和磁密 Bs 比硅鋼低,但是在同樣的工作磁密 Bm (例如 1.4T 下?lián)p耗比硅鋼低。鐵基非晶合金的工作磁密 Bm ,單相變壓器取 1.401.45T,三相變壓器取 1.351.40T。硅鋼工作磁密 Bm ,單相變壓器取 1.70T ,三相變壓器取 1.651.70T,同樣容量 的工頻變壓器用鐵基非晶合金的重量是用硅鋼的 120%左右。(2 鐵基非晶合金的填充系數(shù)對(duì)國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的 1K101 為 0.85, 對(duì)日本日立公司生產(chǎn)的

17、Metglas 2605SA1 為 0.86-0.90 ,個(gè)別的已達(dá)到 0.93。如果用 0.86 與硅鋼的 0.945 相比,同樣重量 的鐵基非晶合金鐵心體積為硅鋼的 110%左右。(3鐵基非晶合金在 1.4T 和 50Hz 條件下的單位重量損耗為 P1.4/50,只有硅鋼的 26.4%43%, 可以顯著減少鐵心發(fā)熱。 在同樣損耗和同樣散熱條件下, 鐵基非晶合金工頻變 壓器可以比硅鋼工頻變壓器降低銅損, 減少銅材, 在現(xiàn)在銅材價(jià)格高于鐵材價(jià)格條件下, 采 取這種方案是一種降低成本的有效措施。值得注意的是,單位重量損耗 P1.4/50是在畸變小 于 2%正弦波電壓下測(cè)試的。而實(shí)際的工頻電網(wǎng)畸變

18、為 5%。在這種畸變下的單位重量損耗 P1.4/50憶,硅鋼為 123%P1.4/50,鐵基非晶合金為 106%P1.4/50,這時(shí),鐵基非晶品合金的 P1.4/50憶只有硅鋼的 22.7%37%。(4硅鋼的現(xiàn)行價(jià)格取自 2006 年 8 月中旬廣東某地鋼材市場(chǎng)牌價(jià),國(guó)外進(jìn)口鐵基非晶合 金的現(xiàn)行價(jià)格取自日本日立公司 2006 年 7 月報(bào)價(jià) 2.85美元 /kg, 按 1 美元兌換 8元人民幣 的匯率為 22.8 元 /kg,再加關(guān)稅和增值稅為 28 元 /kg,國(guó)產(chǎn)鐵基非晶合金現(xiàn)行價(jià)格為估價(jià) , 與生產(chǎn)單位報(bào)價(jià)有一些差別。(5鐵基非晶合金退火溫度比硅鋼低,時(shí)間少,消耗能量少,制造鐵心的附加加

19、工費(fèi)用應(yīng) 當(dāng)比硅鋼低。鐵基非晶合金帶材可以加工成卷繞環(huán)形鐵心,搭接式矩型鐵心和開(kāi)口式 C 型鐵心。上世紀(jì) 90 年代,日本曾用幾層粘接的鐵基非晶合金帶材加工過(guò) EI 型鐵心,但是附加加工費(fèi)用大, 鐵心損耗也增加, 后來(lái)沒(méi)有再見(jiàn)過(guò)有關(guān)的報(bào)道。 現(xiàn)在, 正在研究的大塊非晶合金厚度可達(dá)毫 米級(jí)和厘米級(jí),如果投入生產(chǎn)后,有可能同硅鋼一樣,加工成 EI 型鐵心。綜合以上的各種 因素,在環(huán)形和 C 型鐵心的小容量工頻電子變壓器中,鐵基非晶合金代替硅鋼最有可能取 得明顯效果。在 400Hz20kHz 中頻電子變壓器中,鐵基非晶合金無(wú)論是技術(shù)指標(biāo),還是經(jīng)濟(jì)指標(biāo)都超過(guò) 硅鋼。上世紀(jì) 90 年代,美國(guó)生產(chǎn)的中頻電

20、子變壓器就大量用鐵基非晶合金代替硅鋼。日本 在上世紀(jì) 90 年代開(kāi)發(fā)出 6.5%的硅鋼,使 400Hz20kHz 損耗明顯下降,同時(shí),磁致伸縮趨 近于零 , 可用于低噪聲中頻電子變壓器。 前兩年日本又開(kāi)發(fā)出加鉻硅鋼, 使 20kHz 至 100kHz 損耗進(jìn)一步下降,把硅鋼的應(yīng)用范圍擴(kuò)展到 20kHz 以上的中高頻,同時(shí),耐腐蝕性也好。 但是從表 2 硅鋼與鐵基非晶合金中頻損耗比較中看出:不論是無(wú)取向和取向冷軋 3%硅鋼, 6.5%硅鋼還是加鉻硅鋼,在 400Hz 至 20kHz 中頻段的損耗都高于鐵基非晶合金。從經(jīng)濟(jì)指 標(biāo)上看:0.10mm 厚無(wú)取向冷軋 3%硅鋼帶的價(jià)格已經(jīng)和鐵基非晶合金帶

21、的價(jià)格基本相當(dāng), 0.10mm 厚取向冷軋 3%硅鋼帶的價(jià)格現(xiàn)在超過(guò)鐵基非晶合金帶的價(jià)格 300%, 0.10mm 厚 6.5%硅鋼和加鉻硅鋼帶的價(jià)格更高。因此中頻電子變壓器采用鐵基非晶合金代替硅鋼,比 工頻電子變壓器更有可能取得良好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益。 由于鐵基非晶合金加工的鐵心只有環(huán)形 和 C 型,中頻電子變壓器的設(shè)計(jì)要作相應(yīng)的更改。在保證同樣的工作磁密下,可以降低鐵 損。在保證中頻電子變壓器總損耗基本不變的情況下,可以提高工作磁密,減少線圈匝數(shù), 降低用銅量。具體設(shè)計(jì)可以根據(jù)對(duì)損耗和成本要求綜合考慮。 鐵基納米晶合金和軟磁氧體技術(shù)指標(biāo)相比如見(jiàn)表 3 所列,具有飽和磁密 Bs 高,初始磁 導(dǎo)率

22、 i 高,單位體積功耗 Pcv 低等優(yōu)點(diǎn),居里溫度大于 560益,在使用條件下,溫度變化 對(duì)技術(shù)指標(biāo)影響小。同時(shí),鐵基納米晶合金鐵心經(jīng)浸漆固化處理后,機(jī)械性能穩(wěn)定,因此, 在 20 kHz 至 500 kHz 中高頻電源電子變壓器中, 鐵基納米晶合金可以和軟磁鐵氧體在性能 價(jià)格比上進(jìn)行競(jìng)爭(zhēng)。 對(duì)于鐵基納米晶合金與軟磁鐵氧體的價(jià)格比較， 除了最近市場(chǎng)價(jià)格波動(dòng)因素而外， 還應(yīng)當(dāng)考 慮以下幾點(diǎn)。 （1）由于鐵基納米晶合金功耗小，因此允許工作磁密高于 200mT。鐵心截面和體積下降， 線圈匝數(shù)減少，中高頻電子變壓器用銅鐵量都會(huì)下降，整體成本下降。 （2）鐵基納米晶合金使用溫度高，中高頻電子變壓器可以使

23、用溫度指標(biāo)高的電磁線?？梢?進(jìn)一步減少變壓器的體積和用銅鐵量。 （3）對(duì)于 1kW 以上的大功率中高頻電子變壓器，軟磁鐵氧體工作磁密低，鐵心體積大，在 現(xiàn)有的生產(chǎn)工藝條件下， 制作大尺寸鐵心難度大， 成品率低， 成本并不比鐵基納米晶合金低。 （4）對(duì) 20W 以下小功率中、高頻電子變壓器，鐵心本身重量和體積不大，采用鐵基納米晶 合金增加的成本占鐵心總體成本的比例不大。 從市場(chǎng)上看，軟磁鐵氧體價(jià)格上漲，而國(guó)內(nèi)鐵基納米晶合金已形成大規(guī)模批量生產(chǎn)能力，而 且至少有 10 家生產(chǎn)單位可以供應(yīng)環(huán)形和 C 型鐵基納米晶合金鐵心，價(jià)格比前幾年下降許 多。估計(jì)今后還會(huì)縮小鐵基納米晶合金鐵心和軟磁鐵氧體鐵心的價(jià)

24、格差距。 近年來(lái)，利用鐵基非晶合金和納米晶合金，開(kāi)發(fā)了各種電源用的電感器件。 （1）用于交流濾波和共模干擾抑制電感的鐵基非晶合金和納米晶合金磁芯，初始磁導(dǎo)率為 30 000120000，最大磁導(dǎo)率 100000200000，比軟磁鐵氧體大得多，在要求同樣電感量條 件下，磁芯尺寸只有軟磁鐵氧體鐵心尺寸的 1/8 至 1/10。例如，在同樣電流 100A 和同樣電 感 量 下 ， 一 個(gè) 130 mm90 mm30 mm 的 鐵 基 納 米 晶 合 金 磁 芯 可 以 代 替 4 個(gè) 130mm70mm50mm 的軟磁鐵氧體磁芯。同時(shí)，還可以減少線圈匝數(shù)。電感器總體成本 低于用軟磁鐵氧體磁芯的電感

25、器總體成本的 1/3，已用于各種大小功率開(kāi)關(guān)電源中。 （2）用于直流高頻載波濾波電感的無(wú)氣隙寬恒導(dǎo)磁鐵基非晶合金磁芯，電感器中主要通過(guò) 直流電流，要求在一定磁場(chǎng)強(qiáng)度（例如 800A/m）以?xún)?nèi)，磁導(dǎo)率保持不變，磁化曲線為直線。 以前都是有氣隙磁芯，既增加加工工序，又有較大的噪音。從上世紀(jì) 90 年代起，國(guó)外就開(kāi) 始研究寬恒導(dǎo)磁非晶合金磁芯，現(xiàn)在國(guó)內(nèi)已經(jīng)有批量生產(chǎn)環(huán)形磁芯，外徑 1650mm，內(nèi) 徑 830mm，有效磁導(dǎo)率 2002000。同時(shí)高頻損耗小，可以在濾除高頻載波時(shí)比軟磁鐵 氧體減少功耗和發(fā)熱，已廣泛用于各種直流/直流、 Tj/F 交流/直流、直流/交流變換開(kāi)關(guān)電 源和 UPS 電源中，

26、也用于汽車(chē)噪音抑制器中。 （3） 用于大電流直流高頻載波濾波電感的有氣隙鐵基非晶合金磁芯。 電流超過(guò)一定數(shù)值后， 無(wú)氣隙磁芯磁導(dǎo)率就會(huì)迅速下降， 因此， 大電流直流高頻載波濾波電感還是要采用有氣隙磁 芯，近年來(lái)開(kāi)發(fā)出有氣隙的鐵基非晶合金環(huán)形磁芯和 C 型磁芯，有效磁導(dǎo)率可達(dá)幾百，在 較大磁場(chǎng)強(qiáng)度，例如 8000A/m 下磁導(dǎo)率保持不變，同時(shí)還可以通過(guò)改變氣隙來(lái)調(diào)整電感大 小。 在同樣電流和同樣電感量條件下， 有氣隙鐵基非晶合金磁芯體積只有軟磁鐵氧鐵磁芯體 積的 1/5 以下。例如，一個(gè) 140 mm80 mm35 mm 有氣隙鐵基非晶合金磁芯可代替 6 個(gè) 125mm75mm20mm 的軟磁鐵

27、氧體磁芯，已用于各種大電流大功率開(kāi)關(guān)電源和 UPS 電源中。 總之，軟磁鐵氧體作為電感器鐵芯，在電源設(shè)計(jì)中已失去往日的許多市場(chǎng)，逐漸被鐵基非晶 和納米晶合金和磁粉芯取代。 鐵基非晶合金帶厚只有 0.020.04mm，要卷繞成環(huán)型鐵心，需要不少加工工時(shí)，增加成本。 現(xiàn)在正在開(kāi)發(fā)的鐵基大塊狀非晶合金可以解決這個(gè)問(wèn)題。Fe-（Al，Ga）-（P，C，B，Si） 非晶合金可以用銅模鑄造法制成環(huán)型鐵心， 由于形成獨(dú)特的磁結(jié)構(gòu)， 軟磁性能比用快淬非晶 合金帶卷繞成的環(huán)形鐵心好。也可用 Fe-（Al，Ga）-（P，C，B，Si）非晶合金粉末裝在模 具中，通過(guò)電脈沖燒結(jié)法制成鐵心，這兩種方法當(dāng)然都不只限于制造

28、環(huán)形鐵心，可以象軟磁 鐵氧體一樣，制成各種形狀的鐵心。據(jù)報(bào)道，F(xiàn)e-（Al.，Ga）-（P，C，B，Si）大塊狀非晶 合金飽和磁密 Bs 為 1.1T，在 1kHz 下的有效導(dǎo)率 i 為 700012000，矯頑力 Hc 為 26A/m， 可以代替硅鋼和軟磁鐵氧體制作電源中電子變壓器的鐵心。 1.4 軟磁復(fù)合材料（SMC）和磁粉芯 軟磁復(fù)合材料（SMC）是上世紀(jì) 90 年代開(kāi)發(fā)出來(lái)的新型軟磁材料，其出發(fā)點(diǎn)是想把金屬軟 磁材料的工作頻率向 MHz 級(jí)和 GHz 級(jí)擴(kuò)展，因此將金屬軟磁材料與其他高電阻材料，如 石英、陶瓷、高分子材料等復(fù)合在一起，只要控制金屬軟磁材料的體積百分?jǐn)?shù)在逾滲極限以 下，就

29、有可能保持軟磁特性，又減少各種高頻率損耗，成為一種新的軟磁材料軟磁復(fù) 合材料，取英文名稱(chēng)的第一個(gè)字母，簡(jiǎn)稱(chēng) SMC 材料。 軟磁復(fù)合材料中的磁性粒子可以是純鐵、鎳、鈷金屬、鐵鎳合金、鐵鎳鉬合金、鐵鋁合金、 鐵基非晶合金、 鐵基納米晶合金和軟磁鐵氧體經(jīng)過(guò)粉碎后制成的粉末。 非磁性物體可以是二 氧化硅等絕緣體，硅樹(shù)脂、聚乙烯、環(huán)氧樹(shù)脂等高分子材料作粘接劑和硬脂酸等作潤(rùn)滑劑。 磁性粒子和非磁性物體混合后，可以經(jīng)過(guò)絕緣處理、壓制成形、燒結(jié)等工藝加工成磁粉芯， 也可以采用現(xiàn)在的塑料工程技術(shù)， 注塑成各種復(fù)雜形狀的磁芯。 軟磁復(fù)合材料的優(yōu)點(diǎn)是密度 小，重量輕，生產(chǎn)效率高，成本低，產(chǎn)品一致性好。缺點(diǎn)是由于磁

30、粒子之間被非磁性物體隔 開(kāi)，磁性阻斷，磁導(dǎo)率現(xiàn)在一般都在 100 以?xún)?nèi)，最近報(bào)導(dǎo)通過(guò)納米技術(shù)和其他措施，已開(kāi)發(fā) 出磁導(dǎo)率超過(guò) 1000 的軟磁復(fù)合材料，最大可達(dá) 6000。 磁粉芯是軟磁復(fù)合材料的一大門(mén)類(lèi)，現(xiàn)在已有鐵粉芯、鐵鎳粉芯、鐵鎳鉬粉芯、鐵硅鋁粉芯 和近年來(lái)開(kāi)發(fā)成功的鐵基納米晶合金粉芯等，表 4 是幾種磁粉芯的性能比較。 從技術(shù)性能上看，鐵鎳鉬粉芯最好，但是從價(jià)格上看最貴，因此最近開(kāi)發(fā)出鐵基納米晶合金 粉芯，可生產(chǎn)外徑 1580 mm，內(nèi)徑 750 mm，高 525 mm 磁粉芯， 有效磁導(dǎo)率為 35、 50、70 和 90。在電源中，用磁粉芯制造電感器件與軟磁鐵氧體相比，有以下優(yōu)點(diǎn)：

31、（1）飽和磁密 Bs 高，可以承受更大的直流偏量； （2）氣隙均勻分布，減少局部損耗； （3）居里溫度高，在工作范圍內(nèi)，磁導(dǎo)率不變； （4）鐵鎳鉬粉芯和鐵基納米晶合金粉芯磁致伸縮小，工作中噪聲小。 因此，現(xiàn)在磁粉芯在電源電感器件中已取代軟磁鐵氧體部分市場(chǎng)。 高分子軟磁復(fù)合材料近年來(lái)發(fā)展迅速，在國(guó)外已用這種材料制造高頻電源變壓器和電感器， 并建立相應(yīng)的分析理論和設(shè)計(jì)程序。 據(jù)作者所知， 國(guó)內(nèi)雖然進(jìn)行了高分子軟磁材料的研究開(kāi) 發(fā)，但是還未見(jiàn)到用于電源中電子變壓器的報(bào)道。 1.5 導(dǎo)電材料 從 2004 年初開(kāi)始，銅材料價(jià)格迅速上漲，到 2006 年 8 月，已達(dá)到 80.2 元/kg。作為電源 中的電子變壓器主要材料的導(dǎo)電材料， 出現(xiàn)一些新的發(fā)展趨勢(shì)