在電子技術(shù)的不斷發(fā)展中，電子變壓器作為基礎(chǔ)電子材料的軟磁材料，尤其是鐵氧體軟磁材料也得到了極大的發(fā)展，而且根據(jù)其具體的應(yīng)用分化出多種子類(lèi)，這就給電子變壓器電路設(shè)計(jì)工程師的選材帶來(lái)了困擾。為此下面文章主要從軟磁材料的基本特性出發(fā)，針對(duì)不同的應(yīng)用場(chǎng)合，結(jié)合多年的工作實(shí)踐心得，針對(duì)金屬磁粉心尤其是軟磁鐵氧體材料選型給出了一些建議。

　　關(guān)鍵詞：電子變壓器,磁心,軟磁材料,選材

　　1引言

　　軟磁材料門(mén)類(lèi)很多，軟磁鐵氧體是其中重要的成員,軟磁材料又可分為金屬和鐵氧體軟磁兩個(gè)大的門(mén)類(lèi)。作為功率電感或主變壓器磁心，金屬軟磁多用在50kHz以下，而在50kHz以上的電子變壓器中，多用軟磁鐵氧體磁心。由于鐵氧體軟磁自身高頻損耗很低，在200kHz以上高頻場(chǎng)合，電子變壓器選材基本上全是鐵氧體軟磁，隨著技術(shù)的進(jìn)步，有些軟磁鐵氧體的應(yīng)用頻率可達(dá)數(shù)MHz以上。軟磁鐵氧體種類(lèi)繁多，性能各有側(cè)重，在不同場(chǎng)合下，對(duì)它們的選型使用，是發(fā)揮其優(yōu)勢(shì)性能的關(guān)鍵。

　　2選材依據(jù)：金屬磁粉心與軟磁鐵氧體體電阻率的對(duì)比

　　在20～200kHz頻率范圍內(nèi)，金屬磁粉心和軟磁鐵氧體磁心有一定的重疊應(yīng)用區(qū)域，有必要對(duì)它們的主要特點(diǎn)進(jìn)行一些對(duì)比。金屬磁粉心顆粒較粗，顆粒間的絕緣是靠樹(shù)脂等包覆層來(lái)實(shí)現(xiàn)的，而鐵氧體材料PC44磁心晶粒之間的絕緣是靠高阻的玻璃態(tài)晶界，這個(gè)高阻的晶界是在高溫?zé)�結(jié)情況下通過(guò)固相反應(yīng)形成的。MnZn功率鐵氧體的體電阻率一般在1～20Ω·m之間，而NiZn鐵氧體的體電阻率一般在105Ω·m以上。在高頻下鐵氧體軟磁的損耗要比金屬磁粉心小得多，MnZn鐵氧體是電子變壓器最常用的磁心材質(zhì)。

　　所以在50kHz以上，功率鐵氧體自身的高頻損耗明顯低于磁粉心，但功耗不是電子變壓器選材的唯一標(biāo)準(zhǔn)，還有飽和磁通密度Bs與抗直流疊加能力等。金屬磁粉心的Bs值，如鐵硅材料，一般可達(dá)1T左右，遠(yuǎn)高于MnZn鐵氧體材料。對(duì)某些應(yīng)用，磁心損耗變得不那么重要，而B(niǎo)s和直流疊加特性才是首先要考慮的。即不同的應(yīng)用材料選型著重點(diǎn)是不一樣的。

　　3選材依據(jù)：磁心工作狀態(tài)3.1磁心工作在B-H回線的第一象限

　　在200W以下場(chǎng)合，應(yīng)用非常廣泛的反激式拓?fù)涞碾娫矗�這種拓?fù)洳恍枰�輸出濾波功率電感，開(kāi)關(guān)管關(guān)斷電壓應(yīng)力也容易處理，加上成本較低，在中國(guó)、歐盟等220V市電電壓的區(qū)域市場(chǎng)廣泛應(yīng)用。先來(lái)看斷續(xù)電流工作狀態(tài)下的反激式變壓器。主變壓器磁心磁通工作在Bm和Br之間，磁心置位復(fù)位所包圍的回線面積僅為整條B-H回線在第一象限中的一部分，相比于工作在整條磁滯回線上而言，這種情形下磁心的鐵損只有30%～40%。

　　如某款功率磁心在頻率f=100kHz,在Bm=200mT的高頻交流電流激勵(lì)下，100℃的Pcv為450kW/m3，那么在同樣頻率下，工作在B-H回線第一象限，磁心的Pcv則不大于168kW/m3。這種應(yīng)用情形下，在選材時(shí)，磁心的損耗要求固然重要，而對(duì)磁心的直流疊加特性要求也同樣重要，功耗和疊加指標(biāo)都要關(guān)注。因?yàn)楣ぷ髟贐-H形和對(duì)應(yīng)的磁滯回線工作區(qū)間。

　　在開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通階段，原邊線圈中電流斜坡上升，磁心從+Br被激勵(lì)到最大工作磁密+Bm，磁心被磁置位;當(dāng)開(kāi)關(guān)管關(guān)斷時(shí)，原邊電流關(guān)斷，副邊產(chǎn)生反激電流，即圖中上方的三角波，從峰值沿斜坡下降，將儲(chǔ)存的磁場(chǎng)能轉(zhuǎn)化為電能傳給負(fù)載，磁心中的磁密從+Bm下降到+Br，磁心被磁復(fù)位。回線第一象限，磁心中的直流偏磁場(chǎng)也是比較大的。我們?cè)賮?lái)分析一下對(duì)直流疊加要求更高的場(chǎng)合，工作在電流連續(xù)模式下的反激式變壓器，它的原邊和副邊的工作電流與電流斷續(xù)模式不同，電流沒(méi)有過(guò)0點(diǎn)。

　　這種情況下直流分量要遠(yuǎn)大于電流斷續(xù)模式。磁心的抗直流疊加能力一定要強(qiáng)，為避免直流飽和，要開(kāi)合適的氣隙。工作在這種狀態(tài)下的磁心損耗很小，這時(shí)磁心根本不退磁到Br，而是在Bm1和Bm2之間來(lái)回激磁退磁，所以磁通擺幅ΔB=Bm2-Bm1很小，而直流偏磁場(chǎng)卻很大。直流磁場(chǎng)不會(huì)在磁心中產(chǎn)生鐵損，磁心的鐵損與磁密擺幅ΔB的關(guān)系則很大，以風(fēng)華磁材的PG242(相當(dāng)于TDK的PC44)為例，其鐵損Pcv=f1.87B2.78，即磁心的鐵損是與磁密擺幅ΔB的2.78次方成正比的，磁密擺幅ΔB減小，鐵損會(huì)大幅減小。

　　無(wú)論是磁粉心還是鐵氧體，只有交流成分才會(huì)使磁心產(chǎn)生鐵損，直流成分不會(huì)在磁心中產(chǎn)生鐵損。這種情況下，磁心材質(zhì)的選擇應(yīng)優(yōu)先考慮材料直流疊加特性，而將磁心鐵損降到第二位。這時(shí)，適合選擇高Bs的抗直流疊加材料，如TDKPC90，JFE的4H45、4H47，風(fēng)華磁材的PG182A、PG182B、PG182C等。

　　在較大的功率下，也可選擇選擇磁粉心，磁粉心鐵損大的缺點(diǎn)已無(wú)關(guān)緊要，而其抗直流偏置能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)卻得以突顯。磁飽和會(huì)使得原邊電流不再沿斜線上升，而是在末端發(fā)生了圓弧上翹，因?yàn)榇判娘柡蜁?huì)導(dǎo)致原邊線圈電感量下降，而電感量下降使得電流波形上翹，很有可能導(dǎo)致這樣的結(jié)果：上翹的電流使得磁心進(jìn)一步在開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通末端時(shí)深度飽和這又使電感量進(jìn)一步下降，如此惡性循環(huán)，直至線圈中電流超限發(fā)生“燒機(jī)”。這時(shí)就要關(guān)注磁心材質(zhì)的Bs是否足夠高，直流疊加能力是否足夠強(qiáng)，磁心中柱氣隙長(zhǎng)度設(shè)計(jì)是否足夠深這些問(wèn)題。

　　3.2磁心工作在整個(gè)B-H磁滯回線上

　　現(xiàn)在我們?cè)賮?lái)看一下磁心工作在整條磁滯回線下的情形。如300W以上，常用的全橋拓?fù)浼霸�邊電流波形。�?duì)于全橋拓?fù)湓�邊的電流波形，電流正�?fù)對(duì)稱(chēng)其原邊電流波形為正負(fù)對(duì)稱(chēng)，全周期電流平均值為0，即沒(méi)有直流分量。這種應(yīng)用場(chǎng)合下磁心工作在整條磁滯回線上，沒(méi)有直流偏磁場(chǎng)。這時(shí)，由于沒(méi)有直流偏置，磁心可以不開(kāi)氣隙。磁心的鐵損很大，發(fā)熱嚴(yán)重，因此鐵損往往是瓶頸，所以要將磁心的低損耗指標(biāo)放在第一位，對(duì)Bs的要求可以降低。優(yōu)選如TDK的PC47、風(fēng)華磁材的PG252A材料等。

　　4選材依據(jù)：平衡工作溫度與磁心功耗-溫度曲線的匹配

　　對(duì)于變壓器平衡工作溫度與磁心功耗溫度黃線的匹配，選材非常重要，即功率材料的功耗谷點(diǎn)最好與開(kāi)關(guān)電源主變壓器的工作平衡溫度接近，這樣可獲得最佳的電源效率，因?yàn)闊o(wú)論對(duì)于PC40、還是PC44、PC47，或者是PC90、3C92等功率材料，對(duì)于其Pcv-T曲線，不是功耗谷點(diǎn)的溫度上，其自身功耗值較高。

　　PC47在25℃的功耗接近700kW/m3，是相當(dāng)高的功耗值。若要求變壓器在輕載或者低溫時(shí)有很低的損耗，應(yīng)該選擇PC95類(lèi)的材料，如風(fēng)華磁材的PG312、PG312B(高Bs型PC95類(lèi)材料)。PC95類(lèi)具有從低溫到高溫很寬的溫度范圍內(nèi)，具有很平坦(或稱(chēng)淺碟形)的Pcv-T曲線，在電子變壓器輕載時(shí)，磁心工作平衡溫度在室溫附件，若選用PC45材料，它在20℃的功耗高達(dá)600kW/m3左右，而PC95材料不到400kW/m3，磁心自身功耗下降了近1/3。

　　在電子變壓器重載時(shí)，磁心的平衡工作溫度往往會(huì)達(dá)到100℃以上。例如PC45材料在120℃下Pcv為650kW/m3左右，而PC95材料只有350kW/m3左右，兩者相差極大，這種情況下應(yīng)選擇PC95材料，這充分體現(xiàn)了磁材選型要與電路實(shí)際使用情況相匹配的重要性。4H45、4H47這種高溫高Bs材料是通過(guò)犧牲低功耗來(lái)實(shí)現(xiàn)高的，隨著技術(shù)的進(jìn)步，現(xiàn)在有廠家開(kāi)發(fā)出損耗低而B(niǎo)s又高的MnZn低功耗材料，如若這樣，設(shè)計(jì)師選材就容易多了，可以實(shí)現(xiàn)“懶人設(shè)計(jì)”了。但是“懶人材料”的價(jià)格成本往往也水漲船高，具體還要看相關(guān)的設(shè)計(jì)工程師的取舍了。

　　5結(jié)語(yǔ)

　　雖然變壓器電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)很多，但磁心的工作狀態(tài)一般只有這三種(不考慮磁放大工作狀態(tài))，應(yīng)根據(jù)磁心的工作狀態(tài)來(lái)選擇合適的材質(zhì)。總之，磁心的工作狀態(tài)取決于電流激勵(lì)方式，而電流激勵(lì)方式取決于電路拓?fù)洌�磁心材質(zhì)的選擇取決于磁心的工作狀態(tài)。

　　參考文獻(xiàn)：

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　　推薦期刊：變壓器(月刊)創(chuàng)刊于1964年，由沈陽(yáng)變壓器研究院主辦。主要刊載變壓器、互感器、電抗器和調(diào)壓器類(lèi)產(chǎn)品的技術(shù)文獻(xiàn)資料。