软磁合金及其在功率电子学中的应用
Soft Magnetic Material and Application in Power Electronic

摘要：本文详细介绍了冷轧晶粒取向硅钢薄带、非晶及微晶合金、坡莫合金的主要特性及其在功率电子学中的应用。
关键词：硅钢 非晶及微晶合金 坡莫合金 功率电子学

1 引言
晶粒取向硅钢薄带、非晶及微晶合金、坡莫合金是目前在功率电子学中用得最多的软磁合金。晶粒取向硅钢薄带具有高饱和磁感（BS ≈1.9T，B1000≥ 1.7T)，中频下较低的铁损(P1.5/400HZ≤ 16W/kg)，环境稳定性好(应力、 温度、中子辐射的敏感性小），在航空航天、导弹、舰船、机车等军民领域中用于制造开关电源变压器、电抗器、脉冲变压器等；与晶粒取向硅钢薄带比，铁基非晶合金具有较低的铁损、较低的矫顽力，但磁感应强度也较低（BS≈ 1.5T)，对环境的稳定性要逊色些，铁基非晶合金可用于制作中频尤其是在中频段中频率稍高的开关电源变压器、电抗器，而且铁基非晶还可通过不同的处理工艺，获得低Br或高Br特性，分别可用于制作脉冲变压器、磁放大器。微晶合金具有优异的中高频特性，在中高频下具有较高的工作磁感，较低的损耗、低矫顽力，因而可用于制作开关电源功率变压器、电抗器，与此同时，还可通过不同的处理工艺，使微晶合金具有低Br或高Br，可分别用于制作脉冲变压器、磁放大器（f=100KHZ时，Br/Bs≈0.9);坡莫合金是一个统称，根据含Ni量的多少，还可分为许多具体的材料，如1J50、1J51、1J79、1J85等，这些材料各有特性，虽然它们的铁损比微晶大，但在20KHZ以下的频段范围内还有不少应用，主要用于音频变压器、磁放大器等，除可卷绕成环形铁芯外，还可冲制成许多形状（E形、U形、EI形等）的铁芯，满足各种需要。

2 冷轧晶粒取向硅钢薄带铁芯
2.1 冷轧晶粒取向硅钢薄带的主要磁性能
分别采用0.3mm、0.2mm厚冷轧晶粒取向硅钢片作为坯料，经高温再结晶退火、表面处理、多道次轧制，最终形成0.08mm、0.05mm厚冷轧晶粒取向硅钢薄带，再施以清除应力和恢复再结晶退火、涂层等工艺，最终生产出性能优异的0.08mm、0.05mm厚，105mm宽硅钢薄带，表一列出了2种规格硅钢带的主要磁性能。

由表一可见，硅钢薄带具有高磁感，其在400HZ时工作磁感可设计到1.5T～1.7T，对于0.05mm硅钢带，在1000HZ时，工作磁感可设计到1.5T，可实现变压器的小型化，这是目前非晶合金所达不到的。
2.2 应用
采用0.05mm、0.08mm硅钢带，绕制成铁芯，经真空退火，真空浸漆、切割，分别用于400HZ，1000HZ电源变压器，铁芯的性能及应用情况列于表二中。

可见，在400HZ、1000HZ时，硅钢薄带铁芯具有较高的功率密度，可实现变压器的小型化，是一种较为理想的选择。

3 非晶、微晶合金的性能及应用
3.1铁基非晶合金的特性及应用
铁基非晶合金的饱和磁感虽比硅钢低，但仍保持较高水平（Bs≥1.4T)，铁损也比硅钢低，可用于开关电源主变压器，电抗器等，但用于功率变压器的铁芯往往生产工艺较复杂，而且铁基非晶铁芯的占空系数也较小;另外，通过不同工艺处理，铁基非晶合金剩磁可达到很低水平(Br≤ 0.35T)，这一优点使铁基非合金适合于脉冲变压器，特别是脉冲频率不是很高的脉冲变压器。表三列出了所生产的其中2种铁基非晶合金铁芯及应用。

3.2 铁基微晶合金的性能及应用
3.2.1 铁基微晶合金的主要磁性能

铁基微晶合金的具有较高BS(BS ≈1.2T)，高有效磁导率，低铁损尤其是高频下损耗较低，低矫顽力，表四列出了典型铁基微晶合金及其它对比材料的主要磁性能。

图1、2分别示出了铁基微晶合金的损耗P与频率f、磁导率μ与f的关系曲线，从图1可见，铁基微晶合金具有较低的高频损耗，在高频下具有高的工作磁感，如在f=20KHZ时，工作磁感B可达0.7T，这有利于变压器的小型化，这是目前其它软磁合金几乎达不到的，而图2显示，铁基微晶合金具有优良的磁导率频率特性，在f≤10KHZ时， μ随f的变化较小，当f>10KHZ， μ随f的增加下降较快，但即使如此，在f=100KHZ时， μ仍大于2× 104，这一特性，使μ与f适合于在这一频段制作扼流圈。
3.2.2 铁基微晶合金的应用
(1) 脉冲变压器

铁基微晶合金具有高脉冲磁导率、饱和磁感、低的矫顽力、损耗，而且可通过改变处理工艺，改变矩形比，因而用于制作脉冲变压器是比较理想的，表五示出了经横磁处理后微晶铁芯的性能。采用此铁芯，我们制作了功率为60VA、方波频率为23.5KHZ脉冲变压器，收到了理想的效果，表现为脉冲前沿小(≤2μS)，顶降小。
（2）磁放大器
一方面，铁基微晶合金的矩形比随着频率的升高增大，在f=100KHZ时，其矩形比为0.9左右；另一方面可通过磁场处理，获得高矩形比，而且铁基微晶铁芯的损耗低，这一特性使之适合于磁放大器。我们采用φ8/12× 4.5mm、φ10/14× 5mm铁芯制作高频小功率磁放大器。

（3）电感
铁基微晶合金具有较高的有效磁导率，使其具有很高的单匝电感量，因此在一定频段范围内采用铁基微晶铁芯制作电感是十分理想的。表六列出所开发的抗干扰用共模电感、电网及有线电视网抗干扰用滤波电感的有关参数。

4 坡莫合金的特性及应用
通常我们将含36%Ni及以上的Fe-Ni合金统称为坡莫合金，与前述的非晶及微晶合金比，坡莫合金最大的优点是可以轧制成不同厚度（0.1mm、0.2mm、0.3mm、0.35mm等)的钢带，适合于冲制，因此除可制成环形铁芯外，还可冲制成E形、EI形、U形等多种形式，满足各种不同的要求。表七列举了在电源领域较常用的1J51、1J85的主要性能及应用。

5 结束语
硅钢薄带中频下的高磁感、非晶及微晶合金优异的频率性、坡莫合金加工成形方便是它们各自最显著的特性，它们均是软磁合金大家族中的一员，均有各自不同的用途，了解和掌握它们的特性，对于科学合理地使用具有重要意义。

参考文献
（1）日立金属株式会社，日立超微晶软磁材料，内部资料。
（2）周淑兰等，第八届全国磁学磁性材料会议论文集，1993。