新的电源铁氧体磁心及其应用

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

＊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