压粉磁芯的开发应用
Development and Application of Powder Core

1 磁芯材料的发展
随着现代通讯电子技术计算机工业的迅猛发展，电源频率由数十千赫提高到数十乃至数百兆赫，目的在于不断地满足电源小型化、片式化、模块化的要求，其间不少新研制的电磁铁芯材料如1J85、钴基非晶材料曾适应了电源发展要求；然而在形成产业化的过程中，非晶微晶电子元件铁芯材料受到工作磁密低、带极薄、填充系数低、价格高、性脆、不易成形等方面的影响，作为通讯机各种滤波电感磁芯，与铁氧体、铁粉芯相竞争，显得分外吃力。另一方面，近年来，在适合车、舰、机械、石油、化工、煤矿等国防工矿场合采用加固电源模块，要求高频磁芯，频带宽，温度性能及一致性好，能抵抗恶劣环境，作为非晶微晶金属卷绕小铁芯，是不堪承受的。现在我们采用非晶微晶金属为原料，二次加工研制开发高频廉价优质超细非晶微晶磁粉芯，满足通讯业各种高频电子器件要求，形成新型实用高频电子磁芯系列产品，其应用范围涉及计算机、工业自控、仪器仪表、开关电源、UPS电源、程控交换机、复印机等设备中，发展前景好，经济效益可观。
涉及的产品品种、特性及用途如下：
a.铁系结晶态磁芯 纯铁 铁磷 铁硅铝
b.镍系结晶态粉芯 2-81钼坡莫合金 50-50 坡莫合金
c.铁系非晶态粉芯 铁磷碳 铁铬磷碳
d.铁系纳米晶粉芯 铁铜磷碳 铁铜铌硅硼
在有线无线电工程中，要求线圈电感不随外磁场而变化，即要求磁体在较宽的磁感应（B）和频率（F）范围内μ值恒定，μ值随时间和温度变化小，高频损耗低，这类磁体产品适用于中高频变压器、高频滤波器、充电线圈、加感线圈、储能和滤波扼流圈等。
纯铁铁粉芯，饱和磁密度（Bs）最高，居里点高，温度稳定性较好，由于比损耗系数较大，因而吸收噪音效果好，目前铁粉芯被大量用来制作各种高频整流电路中的平滑扼流圈、电感以及抑制差模干扰的滤波电感，国内市场能见到的大多数是台湾和日本公司的铁粉芯产品，系列全，量产大，价格低廉，广东珠海可达电子公司利用美国技术，专门从事铁粉芯生产，其品牌有CA50-26、CA68-26、CA80-26、CA106-26、CA130-26，销路广，也颇有实力。
然而，传统法压制的铁粉芯，密度低 也不适合交变场下应用，近来制法上有两项新的进展，一是加热压制，所涉及的Fe-P(0.45%P)，压粉芯烧结密度可达。另一项是热塑料涂层的铁粉颗粒磁压制件，具有优良结构性和高频磁特性，机械强度达到250Mpa，f～100KHz都保持恒定μ值。
镍系坡莫合金，钼坡莫合金磁粉芯，国外称MPPCore，它具有最低损耗，最高μ值、温度系数小，在不同交流磁密和温度下仍保持μ值恒定。适用于开关电源直流输出电感器，精密高频调谐电路，高Q值电感负载线圈，抑制电磁干扰（EMI）和射频干扰（RFI）滤波器和各通讯电子产品中。恒定μ值为14μ、26μ、60μ、125μ、147μ、160μ、173μ、205μ、250μ、300μ、350μ、共11种。
近年来，美国阿诺公司推出一种高磁密磁粉芯，称HFCore，组成为50-50 NI-Fe饱和磁密高（1.5T），适于高能量存储器，在AC励磁DC偏磁和温度变化条件下具有稳定的导磁率，合适的用途为开关电源储能电感，线路噪声滤波器，要求低Br、高的增量磁感（△B）的脉冲变压器等。恒定导磁率范围有14μ、26μ、60μ、125μ、147μ、160μ共6种。国内也已开发了一种50-50坡莫粉芯，它具有高磁密（1.5T）高初始磁导率（60-200），使用频率≤1MHz，最高工作温度温度稳定性好，铁损低，安装灵活性好，在德国VAC公司产品中是将其作为高频功率铁芯加以推荐的，称HF50-50粉芯。
超铁硅铝磁粉芯，称Super.Mss.core具有高电阻率，低磁致伸缩系数，损耗值比铁粉芯及带气隙铁氧体磁芯要小，成本比Mpp磁芯低，在开关电源中用作储能电感和滤波电感，铁损低，噪声小，DC偏磁特性优于磁粉芯，恒定导磁率有26μ、60μ、75μ、90μ、125μ5种。
1986年，美国首先制成非晶态磁粉芯PS-21，PMS-1，日本东芝、日立、TDK、大阪公司也先后制成非晶电感磁芯，其体积约为铁氧体的1/2，与硅钢扼流圈相比，电源效率提高1.5～6.5%，铁芯温升低，作为光通讯终端机高频扼流圈，比2-81钼坡莫合金粉芯高频损耗低，品质因素大大提高，电感一频率特性稳定。
采用急冷技术制取非晶微晶合金由于带薄而大大地限制了这种优良材料的应用范围。寻求三维块状急冷材的制作方法及其理论依据，势在必行。急冷技术（雾化法和带粉碎法）制作压粉磁芯产品今已面市，铁基超微晶合金磁粉芯综合磁性、高频、温度特性及环境稳定性均属优上，作为电感元件其电感量和品质因素高，特别适合于高频大电流各种开关电源变换器及功率因数校正，（PFC）技术中扼流圈、滤波电感、储能电感等。铁基超微晶磁粉芯应用上的特色，在于远优于铁粉芯和铁硅铝粉芯，而今其在高频（150～200KHz）大功率开关电源、UPS电源、PFC电感件中应用，已取得满意的效果。
近来，大规模制作高频优质非晶磁粉芯工业生产方法已取得成功，它立足于一种新型工艺，即采用旋压水喷雾法（SWAP）生产铁基非晶，既能实现高快淬速率又能成批大量生产。再采用热压法制作压粉铁芯，这种新型磁粉芯组成为Fe.Cr.B.C新法制粉。用玻璃粉末（8%体积份数）当粘合剂造粒涂敷（粉末粒度小于150μm）用热压法（压力1.5Mpa.温度733K）制成的非晶磁芯在高直流偏磁场下，磁导率高，损耗低，作为回扫变换器比FeSiAl粉芯和气隙铁氧体具有更高的变换效率。
最近报导的一种块状铁基非晶合金，组成为Fe.Al.Ga.P.C.B.Si称FGAPC，具有宽过冷区△Tx（～60K）电阻率高（～1.6μΩm）。在低温极高压力下压结成磁粉芯，它的恒导磁性、低损耗特性、高频范围（～10MHZ）以及稳定性等远优于现有所有的磁粉芯产品，作高频激励磁器件（扼流圈、电抗器等）最有前景。
2 在功率因数校正器（PFC）中的应用
随着计算机应用的普及和网络市场的发展，UPS（不间断电源）正以极其迅猛的势头席卷全球，UPS市场从金融、保险、通信、邮电、国防等领域逐步渗透到家庭和办公环境，如今UPS也已演变成互联网的关键设备及电子商务的保护神，因为要求高可靠的电子商务（E-Bsiness）必须高可靠的电力保护（E-Electricty），而高可靠的电力则需要高可靠的UPS。
以下我们讨论磁芯电子器件产品的应用，列举它们在UPS中作为电力功率因数校正器（PFC）的应用，是最恰当不过的了。
每当市电转换为直流电而加以供电时，都会产生大量的谐波电流使电力系统遭受污染，我们将各次谐波有效值与基波有效值之比称为总谐波畸变THD

用来衡量电网污染的程度，而功率因数定义为PF=有效功率/视在功率，它指被有效利用的程度，于是未被利用的无效功率则在电网与电源设备之间往返流动造成污染源。功率因数与总谐波畸变THD的关系为
可见抑制谐波分量即可达到减小THD提高功率因数的目的，因此可以说谐波的抑制电路即功率因数校正电路。实现功率因数校正的方法，由主电路和PFC抑制电路两部分组成，而后者主要包括一个乘法器MPX，电流误差放大器EI及PWM比较器，三者协调工作将系统的输入电流校正为正弦波，实现谐波的抑制，校正后的电源功率因数达到99.2%，THD只有0.127，电流波形得到明显的校正。
作为限制谐波电流而导入的功率因数校正对其小型化、高效率、低价格、低噪音的要求将越来越苛刻。
UPS的大小和用途主要取决于磁芯的尺寸，其中一个重要的磁性器件是功率因数校正扼流圈（PFC），用来减少输入线路的电流，满足当地电力网的要求。铁基非晶铁芯（MetglasTCA)作为PFC时与硅钢铁芯相比，功率损耗和体积大大的降低，在相同的装载运行时间内延长了电池使用寿命。并减少电池的要求，UPS是Metglas铁芯主要应用领域，在UPS各种类型电路中（整流器DC开关、双向开关、两极开关）均有谐波滤波器及PFC扼流圈，而采用Metglas铁芯，装置重量减少、效率提升。
计算机网络迅猛发展，其应用已深入到国民经济各个层面。由于高质量电力迫切要求，目前UPS已成为网络产品的一个重要组成部分。1998年以来我国UPS市场以10%速度增长，销售总额达35.2亿元，其中小功率UPS（5KVA以下）占22.6亿元，增长幅度高居榜首。中功率UPS（5～30KVA）也占有较大的市场份额，为11.1亿元，大功率UPS（30KVA以上）占的份额较少，为1.5亿元。目前国内5KVA以下的小功率UPS销售量一马当先，市场容量约为70万台，其中0.5～1KVA的UPS销量最大且乃逐年上升。近年来，UPS产品市场发展出现新的趋向，一是看到中国市场巨大潜力，国外UPS厂商纷至踏来，据统计现在中国大陆已有50多个品牌的UPS在销售，包括山特、梅兰日兰、APC、CXIDE、山顿等各大UPS厂商。二是UPS产品大量涌入中小企业及邮电通信领域，全国网络化进程的发展，使得作为网络产品要素的UPS也得到广阔的发展空间。因此，对其中所用的各种电感器件的磁芯市场，也有相应的发展空间。除了已有的压粉磁芯而外，开展非晶和超微晶压粉磁芯的研制和生产，将具有良好的前景。