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    軟磁鐵氧體材料-在電子變壓器-中的應用(一)[轉載]

    時間:2009-07-04 08:21:15來源:網絡 作者:admin 點擊:

    張繼松(中國西南應用磁學研究所,四川綿陽621000)

    介紹軟磁鐵氧體材料的種類及性能和在電子變壓器中的應用,對其發展方向也進行了簡要描述。

    1前言
      軟磁鐵氧材料作為一種功能材料已在國民經濟的各個領域得到廣泛的應用。隨著信息產業、數字技術及光纖通信技術等的發展,軟磁鐵氧體的應用領域還在不斷擴展,幾乎覆蓋了已有的各種頻段的整機、設備分機和元器件,與人們的日常生活息息相關。
      軟磁鐵氧體材料的發明與實用化,至今已有半個世紀。由于它具有高磁導率、高電阻率、低損耗及陶瓷的耐磨性,因而用軟磁鐵氧體材料制作的偏轉線圈、回掃變壓器、旋轉變壓器、中周變壓器、脈沖變壓器、開關電源、濾波器、扼流圈、電感器、抗電磁干擾變壓器、電子鎮流器等(廣義稱為電子變壓器)在計算機、微型手機、通信、辦公自動化、顯示器、遠程監控、彩色電視接收機、視聽裝置、家用電器、電磁兼容 class="wz_rc">電磁兼容、綠色照明、環保節能及電子信息中起著濾波、阻抗變換、能量儲存及能量轉換等作用,得到廣泛的應用。
      電子變壓器是應用軟磁鐵氧體材料的一種主要電子元器件。由于電子變壓器在上述儀器、設備中所起的作用不同,所選用的電子電路不同,對磁性材料參數及磁芯形狀和尺寸的要求亦不同,從而促使軟磁材料生產廠家開發和生產能滿足不同電子變壓器所需性能的軟磁材料及不同形狀和尺寸的軟磁磁芯。
    2軟磁鐵氧體材料
      軟磁鐵氧體材料按成份可分為MnZn、NiZn、MnMgZn等尖晶石型和平面型六角晶系兩類。從應用角度看,又可分為高磁導率(高μ)、高飽和磁通密度(Bs)及高頻大功率(功率鐵氧體)等幾大類。
    2.1MnZn鐵氧體材料
    2.1.1功率鐵氧體材料
      功率鐵氧體材料主要應用于開關電源的主變壓器。它要求軟磁鐵氧體材料具有高飽和磁通密度(Bs)和高振幅磁導率(μa)以提高功率轉換效率并避免飽和;要求材料的功率損耗(PO)盡量小,希望呈負溫度系數,以避免變壓器在高頻下發熱,為了在高溫下保持高的Bs值、材料的居里溫度(θt)應較高,要求在高磁通密度下(B=20mT)、高溫下(80℃~100℃)和高頻下(20kHz~50kHz),有低的功率損耗。功率損耗從理論上分為磁滯損耗、渦流損耗和剩余損耗,根據其對頻率的依賴性不同來區分,渦流損耗的大小與電阻率的倒數成正比。高電阻率是功率鐵氧體最重要的性能,它是通過加入適量的添加劑來獲得的。隨著高頻開關電源的工作頻率發展到0.5MHz~1MHz,相應功率的鐵氧體材料也已商品化、在80℃~100℃、500kHz、50mT下,磁芯損耗為80kW/m3~100kW/m3。專家們預測,未來開關電源的頻率將達到1MHz或更高頻率,那么,功率鐵氧體將需開發工作頻率為100kHz~300kHz、200mT、100℃時磁芯損耗為150kW/m3左右的材料。據資料報道,日本已開發出Pcv=199kW/m3(100kHz、200mT、80℃下)的低功耗材料。目前,世界上具有代表性的產品是日本TDK公司的PC30、PC40、PC44、PC50材料。
    2.1.2高磁導率MnZn鐵氧體
      低寬頻帶變壓器、小型脈沖變壓器、電源濾波器等使用頻率為數十赫至0.5兆赫的遠程通信儀器,電磁兼容需要高磁導率MnZn鐵氧體材料。一般要求μI=5000~12000,居里溫度TC≥120℃,比損耗系數tgδ/μI=7~15×106(f=100kHz),溫度系數=0.5~1.5×10-6/℃,并要求隨使用頻率增加而磁導率的衰減慢,使μi~f曲線在較寬頻帶內保持平直,具有高的截止頻率。目前世界上具有代表性的高μ1產品是日本TDK公司的H5C2、H5D、H5E、飛利浦的3E5、西門子的T38、大通公司的TL13等。日本TDK公司的H5E的μ1已達到18000,預計到2002年將提高到25000左右。
    2.2NiZn系鐵氧體
      NiZn系鐵氧體的高頻特性好(高P、低損耗角正切tgδ、低磁導率的溫度系數),適用于制造各種電感器、中周變壓器、濾波線圈、扼流圈等,在廣播電視、傳呼機、射頻通訊、抗電磁干擾等領域得到廣泛的應用,其磁導率在1500以下變化,使用頻率范圍為1MHz~100MHz。由于NiZn鐵氧體具有較寬的頻率帶寬和較低的傳輸損耗,用它制成的器件可完成阻抗變換和能量傳輸功能。低燒結溫度的NiCuZn鐵氧體,具有高的電阻率,在高頻下具有良好的磁特性,可用于制造片式電感器。
    2.3MgZn、MgMnZn系鐵氧體
      MgZn、MgMnZn系鐵氧體材料具有良好的高頻特性,不需戰略物質鎳,成本低,在民用產品方面可部分替代NiZn系材料。高電阻率(ρ=106Ωcm~108Ωcm)的MgZn、MgMnZn系鐵氧體材料用作電視機顯像管偏轉磁芯,能提高電視機、顯示器的電氣絕緣特性,能使彩色顯示器避免高壓擊穿,提高其行掃描頻率。
    3軟磁鐵氧體在電子變壓器中的應用
      電子變壓器是指用在電子線路和控制電路中、起著電磁能量轉換、隔離和阻抗匹配的一種變壓器。軟磁鐵氧體材料是電子變壓器中的一種核心材料。電子變壓器對軟磁材料的要求是:(1)工作可靠,可以適應環境條件的變化,磁性能穩定,不隨時間的增長而變化;(2)磁性能滿足工作要求;(3)成本低,性價比高;(4)可批量生產。
      在電子變壓器設計中,應正確選用軟磁材料和合理利用軟磁材料的磁性參數來滿足不同類型、不同尺寸、不同工藝要求的電子變壓器的要求,以利充分發揮磁性材料的作用,設計和制造出性價比優越的電子變壓器。
    3.1開關電源變壓器
      開關電源變壓器是開關形式電源 class="wz_rc">穩壓電源中使用的一種電子變壓器,由于它工作在高功率、高磁通密度條件下,所以通常選用磁導率為1500~2500的錳鋅鐵氧體材料,在選用磁性參數時主要應該考慮飽和磁感應強度Bs、高磁通密度下的功率損耗、高頻工作狀態下的功率損耗及高溫下的功率損耗等。通常要求飽和磁感應強度≥510mT。由于開關電源變壓器的工作頻率一般在20kHz~500kHz下且在矩形波狀態下的頻率,通常要求功率損耗是3倍~5倍的開關頻率下的功率損耗,在100kHz條件下,功率損耗≤700kW/m3,在80℃時為最小值。隨著開關電源小型化和工作頻率的提高,由于渦流損耗PC∞f2(頻率),因而降低渦流損耗對高頻電源變壓器尤為重要,當工作頻率達到200kHz~500kHz時,渦流損耗常常占支配地位,從而要求鐵氧體材料電阻率要高。據最近報道,采用細晶粒鐵氧體材料可成功地減小渦流損耗。開關電源變壓器常采用EC型磁芯。由于EC型磁芯的中心柱為圓形截面,它與中心柱為方形截面的EE型磁芯相比,在相同的繞線截面積下,其繞線長度最小,故銅損小,制成的電子變壓器的漏感也低,采用EC型磁芯制作開關電源變壓器時繞制線圈簡單,抗電強度高。
      近年來,對開關電源變壓器高頻工作時的鐵損、銅損、溫升及電感進行分析后,研制出PQ型磁芯,現已進入實用階段。小型化、超薄型、貼片式的開關電源變壓器采用EPC型磁芯,這種開關電源變壓器主要用在移動通訊手機充電器和筆記本電腦等小型電子設備中。
    3.2回掃變壓器
      彩色電視機和監視器用的回掃變壓器正向大屏幕和高清晰度及高分辨率方向發展,其產品具有較好的波束直線性,能在高壓、高功率條件下工作;貟變壓器主要使用功率鐵氧體材料,一般要求材料寬頻低功耗,飽和磁通密度高及直流迭加特性優良,工作在16kHz~100kHz頻率范圍;貟變壓器目前采用U型磁芯,可充分利用其形狀來達到散熱效果。同時保證其在高電壓狀態下的安全性。由于輕、薄、節能又無輻射的液晶顯示器和等離子體顯示器近年來發展迅速,有可能在將來逐漸取代CRT,這意味著回掃變壓器用U型磁芯可能逐漸被淘汰。
    3.3脈沖變壓器
      脈沖變壓器主要用在低功耗、小信號的電路中,對其要求是轉換效率高、失真度低、體積小。為了達到這些要求,脈沖變壓器常采用高磁導率錳鋅鐵氧體材料,要求材料磁導率μi高(7000~15000)并要求要較高的Q值。脈沖變壓器通常采用EP型磁芯,這類磁芯的引線非常方便,且具有屏蔽效果,能滿足脈沖變壓器的小型化。為適應電信設備小型化的需要,日本、中國以及我國臺灣和香港等地區的眾多廠商正積極開發和生產小尺寸和表面安裝式脈沖變壓器,其體積較原有脈沖變壓器小1/3,生產率提高15%~40%;在表面安裝化的同時,脈沖變壓器也在向高性能化方向發展,用于不對稱數字用戶線(ADSL)和高比特數字用戶線(HDSL)的脈沖變壓器已成上升趨勢。
    3.4音頻變壓器
      音頻變壓器是一種技術成熟的產品,由于鐵氧體磁芯具有低成本、小尺寸等優點,所以在音頻變壓器中常采用EI型和環型磁芯,而用環型磁芯制作的變壓器較用EI型磁芯制作的變壓器性能好,盡管環型磁芯變壓器較EI型磁芯變壓器價格高,但音頻設備制造商能承受這種價格,故環型磁芯變壓器的需求增長較快。
    3.5振蕩變壓器

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