压缩非晶磁粉芯的磁性能及其在回扫变换器中的应用
Magnetic Properties of Compressed Amorphous Powder Cores and Their Application to a Fly-Back Converter

摘要：含有玻璃粘结剂的铁基非晶磁粉芯，可通过热压技术制得。将这类磁芯用在高频范围工作的扼流圈或回扫变压器中时，它们表现出优异的磁性能：低磁芯损耗，较低（疑为高才妥--译者）的有效磁导率和高磁通密度。把制得的磁芯应用到100kHz工作的回扫变换器中。在输出功率直至300W时测得的变换效率，高于那些使用典型工业用山达斯托磁芯和单气隙铁氧体磁芯构成的变换器。
关键词：非晶软磁粉末，固化磁芯，回扫变换器，高频应用，热压

1 前言
对非晶磁合金粉末的研究，以前已经做了很多工作，[1-6]而且，至今已开发出大规模生产具有优异高频性能的非晶粉末及实用非晶磁粉芯的工业方法。
最近，有作者报道：利用我们新开发的旋压水喷雾工艺（SWAP），已生产出铁基非晶粉末；这种新工艺既有高的快淬速率，又有大规模生产潜力[7]。另外，还用热压技术制得具有高软磁性能的压缩非晶磁粉芯[8]。
在本文中，介绍了在偏置直流磁场下具有优良磁导率性能的铁基非晶磁粉芯的制作，及其在100KHz频率工作、输出功率到300W的回扫DC-DC变换器中的应用。使用非晶磁粉芯的变换器获得的效率，比那些用工业山达斯托磁芯或气隙铁氧体磁芯的变换器更高。

2 实验程序
采用热压方法，在晶化以下的较高温度形成非晶磁粉芯，其成分为（）76()22C2。我们用新的喷雾工艺制备非晶粉末，使用8vol% 细玻璃粉末作粘合剂，采用被称为"Mechanofusvon"[7-8]的粒子机械化合法涂覆。
典型的固化条件如下：使用的非晶粉末粒度低于150m（应为μm--译者）直径；热压期间的气压和温度分别为1.5Gpa和733K；胶粘剂是磷酸盐玻璃。成型的磁芯在Ar+5%气分中、753K温度下退火30分钟。
使用SEM（扫描电镜）进行形貌检验。采用四探头方法来测量磁芯的电阻率；用阻抗分析仪（HP4194A）测量起始磁导率；用磁芯损耗测量系统（Iwatsu Sy-8617和Ryowa MMS-0375D）测量磁芯损耗。
用于评估磁芯的DC-DC变换器是一个回扫型，如图1所示。在这个电路中，检验的所有磁芯是尺寸相似的环形样品，如表1所示，它们具有几乎相等的磁导率、绕组匝数和电感。作为铁氧体磁芯，它是给工业用Mn-Zn铁氧体磁芯开一个气隙，以便使磁导率能调到非晶磁粉芯相应的数字。


图1 回扫变换器的实验电路
3 结果和讨论
图2是用SEM观测到的非晶磁粉芯的剖面图，其构造类似一块石壁。灰色的"石头"是非晶合金粒子，粒子间狭窄的黑色"砌泥"是胶粘玻璃层。

图2 SEM观测到的固化非晶磁粉芯剖面图
图3示出用四探头法测得磁芯的电阻率。对于固化的非晶磁粉芯，在1KHz~1MHz频率范围，电阻率大约为0.3Ωm，然后达到40MHz时电阻率将近下降一个数量级。在1MHz以上频率，非晶粉末和铁氧体磁芯的电阻率相似，但大大低于山达斯托磁芯。

图3 磁芯的电阻率
从以上结果可以说，胶粘玻璃层形成了高电阻率绝缘，阻止涡流流经非晶合金粒子间的边界；它还有效地充当分散在整个磁芯中的气隙。正如下面所提到的，这两种性能会导致低的磁芯损耗和较低的磁导率。
图4示出在频率从10升到200KHz和磁通密度最大值Bm=0.05T、0.1T时，磁芯损耗Pc与频率的关系。在整个测量范围，非晶磁粉芯的磁芯损耗略高于或几乎等于气隙铁氧体磁芯的损耗，而比工业用山达斯托磁芯的损耗要低些。例如，当Bm=0.1T时，非晶磁芯的Pc在10KHz和100KHz时分别为19.5kw/m3和3kw/m2。在前者和后者各比山达斯托磁芯损耗低19%和48%。

图4 磁通密度最大值Bm=0.1和0.05T时磁芯损耗与频率的关系
图5示出频率从3KHz上升到40MHz、激励磁场Hm=5mOe时，起始磁导率μ与频率的关系。对于非晶磁粉芯，直至1MHz磁导率在120~130之间近似恒定。这些值与气隙铁氧体磁芯的相似，比山斯托磁芯的约高25%。

图5 非晶磁粉芯与气隙铁氧体磁芯和山达斯托磁粉芯相比较，它们的起始磁导率与频率的关系
图6示出在直流偏场下和100KHz频率时测量的磁导率。如图所示，与山达斯托和铁氧体磁芯相比，非晶磁粉芯具有更优良的性能。在整个测量范围中，尽管非晶和山达斯托磁芯的磁导率随着直流偏场增强有着相似的降低趋势，但是山达斯托的磁导率值仍然比非晶磁芯的低25~30%。另一方面，对气隙铁氧体磁芯而言，虽然，在=0时其磁导率和非晶磁芯的几乎相等，但是大约在=2500A/m以上直流偏场下的磁导率却迅速降低。这种磁导率的陡降被认为是由低Bs铁氧体磁芯的磁化饱和引起的。

图6 起始磁导率随直流偏场的变化
图7示出在100KHz工作时回扫变换器的变换效率。

图7 变换效率随输出功率变化的曲线
利用非晶磁粉芯的变换器获得的效率，比那些用山达斯托或铁氧体磁芯的变换器高些。发现，变换器的效率与磁芯的磁性有相当大的关系，例如上面提到过的直流偏场下的磁导率和磁芯损耗。使用非晶磁芯的变换器，其高效率是由直流偏场下的高磁导率产生的。还有，对于用铁氧体磁芯的变换器，在140W以上的大功率范围，效率急剧下降显然是由高偏场下磁导率的陡降引起的。
图8示出输出功率在180W时，变换器的漏一源极电压Vds和输入电流Ivn的波形图。图8（b）中的气隙铁氧体磁芯，在时间t=to（输入4A电流）时观测到输入电流迅速增大。磁芯外加磁场在这个点上约为2460A/m。这个值几乎与直流偏场一致，是由铁氧体磁芯的磁导率陡降引起的（如图6所示）。Ivn的这个特性可归因于具有低磁通密度Bs铁氧体磁芯的饱和，在高Bs的非晶磁芯中直至300W都末观测到这种现象。

图8 在100KHz 工作的回扫变换器的FET漏-源极电压和输入电流的波形图。（a）非晶磁粉芯（输出=180W）；（b）气隙铁氧体磁芯（输出=180W）
4 结论
添加玻璃粘合剂、用热压技术制得的铁基非晶磁粉芯，在高直流偏场下，它表现出低的磁芯损耗和优良的磁导率性能。还观测到，使用非晶磁粉芯的回扫变换器比用工业山达斯托磁芯和气隙铁氧体磁芯的变换器，具有更高的变换效率。
因此，此项研究中成型的非晶磁粉芯，可望用作高频和大功率工作的回扫变压器中。
参考文献（见原文）
译自：IEEE Trans Magn.， 2000， 36(5):3421