开关电源与磁性材料

[内容摘要] 本文从电子整机向小型与高性能发展趋势出发，介绍了电源技术的一次革命——开关电源的发展，进而阐述了在开关电源中应用的磁性器件与磁性材料，并看重介绍了MnZn功率铁氧体和非晶超微晶合金材料的技术动向。
关 键 词 开关电源 磁性材料 铁氧体 超微晶

一、前 言
随着电子整机电路向着小型轻量、高性能、高密度安装方向的迅速发展，对电子元器件小型化、轻重量、复合化、多功能、高可靠、长寿命等方面的要求日益迫切。作为电路中基础之一的磁性元器件则是阻碍电子整机小型化的一大障碍，特别是体积，重量的矛盾尤为突出。例如在原有的程控交换机用户电路中，共有23个电子元器件和集成电路，其中唯一的一个磁性器件就是电子变压器，它的重量却等于其他22个非磁性元器件重量的总和；在线路板上占据的面积也几乎与之相等。又如某固体继电器电路中有5个电阻，3个电容和1个电感器。就这一个电感器（原是在环形铁氧体磁芯上绕以线圈而成）的重量是其他8个阻容元件的5倍。可见磁性器件的小型化问题多么的严重，所以世界各国的专家、工程师们投入了巨大的力量潜心研究，至目前已在电感器件（包括电子变压器、电感器等）的小型化、片式化方面取得长足的进展，尤其在高频化方面成效更为显著。
本文从电子整机向小型与高性能发展趋势出发，介绍了电源技术的一次革命——开关电源的发展，进而阐述了在开关电源中应用的磁性器件与磁性材料，并着重介绍了MnZn功率铁氧体和非晶超微晶合金材料的技术动向。

二、电源技术的一次革命——开关电源
电源（Power Supply）是一种将动力供给另一单元的装置，其作用是将发电站供应的交流电转换为所需要的直流电并维持稳定的输出。一般的电源是由晶体管组成的串联稳压电源（即线性电路），体积大，耗功高，效率低。随着电子技术的发展，由于负载线路的多样化，如在计算机、程控交换机、通信与多媒体等电子设备中，面临着各式各样的电路，所要求的电源稳定度、效率与频率也愈来愈高；在电子整机小型化中电源部分的体积已成为一大障碍；电源也正在向小型，薄型化方向推进，线性电源已不能适应和满足这一发展要求。开关电源（Switching Power Supply ，以下称SPS）便应运而生，它是电源技术中的一次革命。
2.1 SPS 的工作原理、种类及优点
开关电源一般是以交流电压110V或220V为输入电压，然后经整流滤波成为直流电压送到开关晶体管相串联的变压器初级上，运用开关晶体管的导通（ON）或截止（OFF）的开关动作在变压器上经适当的转换后，得到所需要的输出电压，再经整流滤波及反馈电路后即可从输出端得到经调节过的稳定直流电压供用户使用。
电源因输出功率及方式不同而分为传统线性电源和开关电源两大类别，而开关电源又分为断续式转换式两种，而从最终供应器形式上看而又有AC/DC，DC/DC之分，如图1所示

图1 电源的种类
在同一电源容量下，转换式开关电源供应器的工作效率，远较线性电源高，发热小，回路损耗小，所以其变压器之散热器可大幅度地小型化、轻量化，这便是开关电源的主要特征。由于SPS控制电路较复杂，其高效二极管工作时而产生杂波而干扰信号传输，因此必须增加滤波器来处理。SPS输出电压中的的谐波成分较线性电源大，是它的一大缺点，但其优点则是最主要的：
（1）高效率，一般为65-85%，损耗小，散热问题容易处理。
（2）体积小，重量轻，工作频率高（720KHz）。
（3）具有较高的保持时间。当输入交流电压中断或消失时，开关电源输出电压仍能维持在稳定的电压范围内，可保持15~40ms的时间以度过瞬间断电，不至造成对数字电路工作的影响。这里，表1是两种电源特性的比较。

2.2 SPS的应用
由于开关电源具有高效率、小型轻量化、散热好、损耗小、电源稳定等特点，电子整机设备大量采用，其应用范围不断扩大，如表2所示。

随着电子信息技术，微电子技术、电力电子技术等高科技的发展，一些精密电子设备对开关电源性能的要求越来越高，耐高电压、可立即供电、漏电少、噪音低、可靠性高、高开关频率、轻薄短小、高效率、低成本开关电源供应器则是必然的技术发展方向。

三、 SPS中的磁性器件与材料
开关电源是利用开关过程来控制从输入端向输出端传输的电功率，从而获得稳定输出电压的。开关晶体管，能使输入端和输出端绝缘并同时兼有电压转换功能的变压器，平滑用的电容器和储能电感器都是构成开关电源的基本元器件。从理论上讲，单是提高开关频率，变压器、电感器和电容器的尺寸都能够缩小，但首要的却是必须提高电源的效率。因为，若只是体积缩小了而损耗仍然很大，那么局部就成为发热源，导致剧烈温升。引起开关电源损耗的主要部分是开关晶体管、二极管、变压器和电感器。晶体管的开关损耗可以采用谐振电路或电感转换等措施来大幅度降低，而其磁性器件都存在着一定程度的损耗。可见，掌握到降低磁性器件损耗的技术也就把握住了提高开关频率电源的效率、进而实现其小型化的关键。降低磁性器件损耗的关键技术则是寻求低损耗的磁性材料，图2示出了开关电源中使用的磁性器件。

图2 开关电源中作用的磁性器件
表3 列出了开关电源中使用的各种磁性器件在其磁芯工作状态及高频下应当考虑的损耗因素。表4是开关电源中使用的四种主要磁性器件及材料。


可见在开关电源中使用的磁性器件的磁性材料不外乎还是铁氧体和金属软磁材料两大类，而目前能满足高频低功耗要求的是Mn-Zn功率铁氧体和非晶超微晶合金最具代表性。
3.1 Mn-Zn功率铁氧体材料
这种用于开关电源中的特殊铁氧体材料的产量目前已占软磁铁氧体总产量的30~40%。在使用中它必须工作在高磁通、高工作频率下，并且要求高效率小体积，在较高温度和较大迭加直流场下有着良好的性能。因此对这种材料技术性能的要求是：较高的初始磁导率 (μi) 和振幅磁导率 (μa); 较高的饱和磁通密度（Bs）与较低的剩余磁通密度（Br）；居里温度（Tc）高功耗（Pc）低；工作频率较高即电阻率（ρ）高等。
为满足 SPS 向轻小、高频化方向发展的需要，国内外各厂商竞相研发出了多种材料来，最具典型的是日本，如TDK公司，从80年代中后期开始相继开发出了 Pc30， Pc40， Pc50等材料，90年代初又开发成功Pc44新材料，在100 KHz、200mT、80℃条件下其功率损耗值降低为300mw/，1996年又开发出高频低损耗材料，其功耗又降为199mw/。其他如日本川崎制铁，FDK公司，荷兰philip公司等也都先后推出了高频低功耗材料。至目前为止，Mn-Zn铁氧体作为高频功率材料所工作的最高频率为3MHz即philips公司的3F4材料，Thomson公司的F6材料达到了2MHz，德国Siemens公司的N59材料也可用到1.5MHz频率上了。我国的功率铁氧体材料的性能一般只相当于日本TDK公司产品Pc30牌号，少数企业才能小批生产Pc40牌号的产品。
一般说来， Mn-Zn 功率铁氧体材料的高饱和磁通密度（Bs）由工艺配方决定，常温下为500mT，在 100℃下为400mT；功耗Pc由制作工艺决定，采用添加剂和工艺过程控制来实现。
3.2 非晶超微晶合金
非晶超微晶合金即纳米金属软磁材料，其特点是高Bs高m低Hc和低高频损耗，良好的温度与环境稳定性，其综合磁性能远远优于Si钢、铁氧体和坡莫合金。其中性能最优的是Fe基非晶超微晶，它是在非晶化基础上经特殊热处理方法获得的一种双相软磁合金，具有高Bs高μ和高频低损耗的特点，它已克服了Co基非晶饱和磁通密度（Bs）低、价格昂贵，FeNi基非晶合金Bs低、初始磁导率（μi）不高以及Fe基非晶合金有效磁导率低的缺点，从而拓展了非晶超微晶合金材料的应用领域，满足了电子整机与设备向高频、高效、小型化、高稳定性方向发展的需要。表5是超微晶合金的mi、高频损耗与其他材料的比较，可见用于开关电源的磁性材料是多种多样的，非晶超微晶合金的高频低损耗性能已可与铁氧体软磁材料相抗衡了。