超微晶磁芯及其在開關電源中的應用

O 引言
微晶磁芯具有較高的飽和磁感應強度(1.l～1．2T)，高磁導率，低矯頑力，低損耗及良好的穩(wěn)定性、耐磨性、耐蝕性，同時具有較低的價格，在所有的金屬軟磁材料芯中具有最佳的性價比。用于制作微晶鐵芯的材料被譽為”綠色材料”，廣泛應用于取代硅鋼，坡莫合金及鐵氧體，作為各種形式的高頻(20～100 kHz)開關電源中的大中小功率的主變壓器、控制變壓器、波電感、儲能電感、電抗器、磁放大器、飽和電抗器磁芯、EMC濾波器共模電感和差模電感磁芯、．IDSN微型隔離變壓器磁芯，也廣泛應用于各種類同精度的互感器磁芯。

1 超微晶磁芯的主要特點
VITROPERM 500F鐵基超微晶磁芯具有以下特點：
1)極高的初始磁導率，μ=30 000～80 000，且磁導率隨磁通密度和溫度的變化非常小；
2)磁芯損耗極低，并且在一40～+120℃范圍內不隨溫度而變化；
3)非常高的飽和磁通密度(Bs=1．2T)，允許選擇較低的開關頻率，能降低開關電源及EMI濾波器的成本；
4)磁芯采用環(huán)氧樹脂封裝，機械強度高，無磁滯伸縮現(xiàn)象，能承受強振動；
5)可取代傳統(tǒng)的鐵氧體磁芯以減小開關電源的體積．提高可靠件．
超微晶磁芯的型號很多，所傳輸?shù)墓β士蓮?0 W到11kW。幾種常用磁性材料的性能比較見表1。

2 超微晶磁芯在開關電源中的應用
2.1 超微晶磁芯材料在高頻變壓器中的應用
目前，高頻變壓器一般選用鐵氧體磁芯。VITROPERM 5OOF鐵基超微晶磁芯與德國兩門子公司生產的N67系列鐵氧體磁芯的性能比較，如圖1所示。圖1(a)為磁導率的相對變化率與溫度的關系曲線；圖1(b)為磁感應強度(B)與矯頑力(H)的關系曲線；圖1(c)則為損耗．溫度曲線。由圖l(a)可見，超微晶磁芯的磁導率隨溫度的變化量遠遠低于鐵氧體磁芯，可提高開關電源的穩(wěn)定性和可靠性。由圖l(b)可見，超微晶磁芯的／μB乘積比鐵氧體磁芯高許多倍，這意味著可大大減小高頻變壓器的體積及重量。由圖1(c)可見，當溫度發(fā)生變化時，超微晶磁芯的損耗遠低于鐵氧體磁芯。此外，鐵氧體磁芯的居里點溫度較低，在高溫下容易退磁。若采用超微晶磁芯制作變壓器，即可將工作時的磁感應強度變化量從O．4T提高到1．OT，使功率開關管的工作頻率降低到100kHz以下。

2.2 超微晶磁芯在共模電感中的應用
采用超微晶磁芯制作共模電感(亦稱共模扼流圈)時，只須繞很少的匝數(shù)，即可獲得很大的電感量，從而降低了銅損，節(jié)省了線材，減小了共模電感的體積。用超微晶磁芯制成的共模電感具有很高的共模插入損耗，能在很寬的頻率范圍內對共模干擾起到抑制作用，因而不需要使用復雜的濾波電路。分別用鐵氧體磁芯、超微晶磁芯制成共模電感，二者的外形比較如圖2所示。

2．3超微晶磁芯在EMI濾波器中的應用
由VAC公司生產的鈷基超微晶磁芯VIT-ROVAC 6025Z，可廣泛用于開關電源的EMl濾波器中，能有效地抑制由電流快速變化所產生的尖峰電壓。在超微晶磁芯上繞一圈或幾圈銅線，即可制成一個尖峰抑制器，其構造非常簡單，而對噪聲干擾的抑制效果非常好。VITROVAC 6025Z超微晶磁芯具有極低的磁芯損耗和很高的矩形比，當電流突變?yōu)榱銜r呈現(xiàn)出很大的電感量，能對整流管的反向電流起到阻礙作用。由尖峰抑制器構成EMI濾波器的電路如圖3所示。D1為輸出整流管，D2為續(xù)流二極管。在D1.D2上分別串聯(lián)一個尖峰抑制器。L為儲能電感，C為濾波電容。不加尖峰抑制器時通過整流管的電流波形如圖4(a)所示，IF、IR分別代表整流管的正向工作電流和反向工作電流，frr代表反向恢復時間。由圖4可見，整流管在反向工作區(qū)域會產生尖峰電流，而接入尖峰抑制器后，尖峰電流就被抑制了。

尖峰抑制器典型的磁滯回線如圖5所示，在到達工作點1之前(電流導通時)，磁芯處于飽和狀態(tài)，具有非常低的電感量；當電流關斷時到達工作點2(亦稱剩磁點)時，由于整流管存在反向恢復時間，使得電流繼續(xù)沿著負的方向減小，但超微晶磁芯具有非常高的磁導率，這時會呈現(xiàn)很大的電感量，所以它就不經過理論工作點3(該點本應對應于出現(xiàn)反向尖峰電流IR的時刻)，而是直接到達工作點4(即反向剩磁點)，然后又被磁化開始另一循環(huán)。這種抑制整流管尖峰電流的特性被稱之為“軟恢復”。圖5中的IFe為激勵電流。

下面介紹設計尖峰抑制器的公式。若令整流管的反向恢復時間為trr(單位取s)，反向電壓為UR (V)，通過整流管的電流為IF(A)，則尖峰抑制器必須滿足下述條件。

式中：Φ為磁通；
S為磁芯的繞線面積。
計算銅導線線徑的公式為

所須繞制的匝數(shù)為

3 結語
隨著電力電子技術的發(fā)展和成熟，人們逐漸認識到磁性元件不僅是電源中的功能元件，同時其體積、重量、損耗在整機中也占相當比例。據(jù)統(tǒng)計，磁性元件的重量一般是變換器總重量的30％～40％，體積占總體積的20％～30％，對于模塊化設計的高頻電源，磁性元件的體積、重量所占的比例還會更高。另外，磁性元件還是影響電源輸出動態(tài)性能和輸出紋波的一個重要因素。因此，要提高電源的功率密度、效率和輸出品質，就應對減小磁性元件的體積、重量及損耗的相關技術進行深入研究，以滿足電源發(fā)展的需要。我們有理由相信，微晶磁芯在開關電源中將有非常寬闊的應用前景。