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1、软磁材料的应用一软磁材料分类及应用 l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。软磁材料分类l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l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。l以下为我公司主要软磁材料系列：l1 金属磁粉芯l2
2、 Mn-Zn铁氧体l3 Ni-Zn铁氧体l4 非晶微晶从产品结构尺寸而言，由于拥有国内相 对齐全的生产设备，我们的规格型号应有尽 有，磁环最大尺寸可达500mm。此外，我公司可以为客户研制生产各类 变压器、电感产品，依靠现有多元选择的磁 材、专业的设计、齐全的检测手段，我们可 以为客户设计制造国军标等级的各类感性器 件。下面介绍我们生产的软磁材料的更详细 的应用。l非晶微晶材料主要用于制造以下产品：l1） 开关电源变压器及扼流圈l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
3、 要用在50kHz以内的场合，超微晶材料用在300kHz以内 的场合。l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B（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。l2） 电感滤波器l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。l3） 脉冲变压器、传感器l利用某
4、些非晶微晶（如Co基非晶）高矩 磁比的特性。 lNi-Zn铁氧体l适用不同的工作频率，Ni-Zn材料的i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。l在软磁材料中， Mn-Zn铁氧体和金 属磁粉芯中许多材料是我公司独到 的产品，在国内处于绝对领先水平 ，有些材料甚至处于国际领先水平 。后面重点介绍这些产品的特点及 应用。三Mn-Zn铁氧体lMn-
5、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 。l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。l以下是几种高稳定性材料的iT变化图 ，可以看出这几种材料的温度特性。需 要说明的是，我公司生产的高稳定性材 料不仅在温度特性而且在其它可靠性方 面都具有较高的水平，如减落小，内应 力小，抗振性好等，最适宜于工作温度 宽、环境恶劣的场合，其中MXD-20
6、00和 R2kG主要应用在小信号情况，R2kBD主 要用于制造功率变压器。l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。l用Mn-Zn铁氧体制作开关电源变压器是工程师们的 最佳选择，不论从成本考虑（民品），还是从可 靠性考虑（需抗冲击和振动的军品）。正常情况 下，材料选择适当，设计开关电源变压器选择铁 氧体磁芯体积的一般经验：l100kHz以内普通变压器：3-10W/gl100-500kHz平板变压器：10-20W/gl变压器功率越大，体积越大，
7、取值可以越大；l变压器工作频率越高，取值可以越大；l散热条件越好，取值可以越大。l对于要求长期工作的军用变压器而言，必须在设 计上留出一定余量，确保变压器不会过热失效。l下面是一般情况下设计磁芯B的选择：l25kHz3000Gsl50kHz2000Gsl100kHz1500Gsl200kHz1000Gsl散热条件越好，取值可以越大。当然， 在频率更低选择更大B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）。l设计变压器的几个注意事项：l1）根据频率、功率选择适当的磁芯，选择适当的B。l2）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
8、功率密度。环型变压器例外。l3）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：lApNp=1.05AsNsl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。l一种变压器设计例：lPWM全桥，f=25kHz,Dmax=0.8lInput:三相整流，最低输入电压Umin=537V*80%=430VlOutput:DC300V*30A桥式整
9、流l设计如下：l磁芯选择：按8W/g计，磁芯重量大约1.1Kg，选 R2kB1100*50*40，Ae=10cm2lNp计算：根据电磁感应定律E=/ton即l Umin-10V=Np*Ae*B*2f/Dmax l B选0.27T，10V为功率管压降。l 计算得Np=24.9，取Np=25TslNs计算：Ns=(300V+10V)/(430V-10V)/ Dmax*Np=23.1，取 Ns=23Tsl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。四金属磁粉芯l金属磁粉芯的制造工艺概述l金属磁粉芯是一种粉
10、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。l金属磁粉芯制造工艺大致如下：l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 l说明：1）功耗因子是指在频率大约在25kHz，Bm大约在 l 1000Gs情况下损耗相对值。l 2）价格因子是指目前民品市场平均相对价格。l金属磁粉芯的应用l从严格意义上讲，金属磁粉芯只能用作电感产 品的制造。l铁粉芯：l1P主要用作制造差模滤波器l3P主要用作
11、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l4P主要用作制造频率相对较低（50kHz）的扼流圈（ 如UPS输出扼流圈）l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。l羰基铁:l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。l高磁通粉芯（HI-FLUX）：l高磁通粉芯由于具有最好的直流
12、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。l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。l铁硅铝粉芯(SENDUST)：l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。l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
13、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。l铁镍钼粉芯(MPP)：l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。l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
14、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。l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。l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：l1）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。l2）前者温度系数比后者小。l3）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
15、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。l4）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。l5）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 ）。l6）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
16、进行设计调整 。l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。l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。l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。l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：lkW以上：W/cm3l1kW：0 W/cm3lkW以下：W/cm3lW以下：W/cm3lH类可以略大，A、Y类可以略
