非晶微晶合金在电感器中的应用
2003-03-18 09:59:35
来源：《国际电子变压器》2001.02
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非晶微晶合金在电感器中的应用
Application of Amorphons and Nanocrys-talline Alloy in Inductor
一、前 言
非晶微晶合金在电感器中的应用面临的竞争对手在低频中是硅钢，在中频和高频中是软磁铁氧体和磁粉芯。竞争的胜利与否既决定于性能，又决定于价格，还决定于批量生产的可能性和一致性。从现有的情况来看，非晶微晶合金在电感器中的应用经过一段时间的竞争后，在许多领域已逐步占领了部分市场，特别是在高频电感器中，非晶微晶磁性薄膜和磁粉芯有可能代替原来用的软磁铁氧体和坡莫合金磁粉芯，而占据主要地位。在高频和中频开关电源中，非晶和微晶合金可以用于抗干扰（EMI）滤波电感器，尖峰抑制电感器，功率因数校正电感器和输出滤波电感器。下面分别介绍非晶和微晶合金在这几种电感器中的应用情况。
二、抗干扰（EMI）滤波电感器
电磁干扰（EMI）是对环境的一种污染，为了防止电磁干扰，要采取措施来消除它，因而形成电磁兼容一门新学科。各国都制定了相应的标准，规定电子装置和仪器(包括中频和高频开关电源)既不能发散电磁干扰，又要能承受电磁干扰。为了防止开关电源受电网传来的电磁干扰和抑制电源散发出去的电磁干扰，除了采取电磁屏蔽措施而外，都要采用由电感器和电容器组成的抗干扰滤波器。一般电路形式如图1所示。输入部分接的是交流电源抗干扰滤波器，输出部分接的是直流电源抗干扰滤器。抗干扰滤波器与信号滤波器有较大的区别。首先抗干扰滤波器是按阻抗不匹配的条件来设计的，滤波器阻抗与输入或输出端口的阻抗越不匹配，对干扰(一般为射频)的能量衰减越有效，因此也叫反射滤波器。抑制的频带宽从几十KHz到几十MHz。通过电流比信号滤波器大得多，功率容量大，因此要考虑损耗、发热和产生的电压降。输入部分接的交流电源抗干扰滤波器不要对输入的50或60Hz电流产生衰减。由于接到220V或380V交流电源上，承受的耐压高，漏电流要小。一般至少要承受2000V耐压试验一分钟，不要发生击穿。
图1 抗干扰滤波器线路
从图1中可以看出，交流电源抗干扰滤波器包括抗差模和抗共模传导干扰两部分。平常工作在交流下，不会产生直流偏磁。抗共模干扰电感器有两个绕组，一般采用双股线关绕，但接法不同，一个激磁，一个去磁，有利于铁芯工作。国内生产这种交流电源抗干扰滤波器的厂家很多，但是无论是抗共模干扰还是抗差模干扰的电感器的铁芯，多半采用铁氧体和磁粉芯，只有个别的采用非晶和微晶合金。如果采用非晶和微晶合金作为铁芯，将会使这种交流电源抗干扰滤波器性能有比较大的提高。对抗共模干扰电感器来说，电感量大，为mH级，更是这样。非晶和微晶合金的导磁率高，可以用较少的绕组匝数来达到要求的较高的电感量，尺寸小，损耗低。分接电容的容量也可减少。自谐振频率高，可以增加抑制频率范围。饱和磁通密度高，在抑制幅值高的尖峰干扰时不会实现饱和而失效。表1是日本日产公司微晶铁芯FM系列抗共模干扰电感顺的技术性能和外形尺寸，体积及用铁氧体铁芯电感顺的1/2~1/3，在1KHz~10MHz范围内抗干扰效果好，对尖峰脉冲干扰衰减性也好，而且环境适应性和稳定性强。最近，日本日立公司为了适应表面安装技术的需要，又推出了低高度表面安装式微晶铁芯抗共模干扰电感器。抗差模干扰电感器由于无直流偏磁，同样可以采用非晶和微晶合金铁芯，由于它的电感量小，匝数更小，有时采用一匝，也就是在导线上套环形铁芯就可以了，这样，交流电源抗干扰滤器的结构简化，体积缩小。
非晶和微晶合金铁芯还可以用于晶闸管（可控硅）直流电源的交流输入抗干扰滤波器上。从前这种电源的进线电感，由于电流大，一般都用空芯电感器，用铜量多，损耗大，体积也不小。后来有的在进线母线上套一连串环形软磁铁氧体，损耗减少一些，体积仍然不小。如果改套非晶合金环形铁芯，显然可以只用一个环形磁芯，不但增加抗干扰能力，还可以降低损耗和体积，减少阻容吸收网络的容量。关键是要解决价格问题。如果非晶合金环形铁芯的价格的空心电感器（铜材）价格相当，就有推广价值。
输出的直流电源抗干扰滤波器，是防止开关电源对外面负载干扰的最后一道防线，相当重要。同时，有的开关电源是作为直流变换器，输入也是直流电源。为了防止开关电源产生的噪声干扰输入的直流电源，也需要直流电源抗干扰滤波器。通过多年的实践证明：开关电源的干扰噪声在低频差模噪声占主要成份，在高频段共模噪声占主要成份。由于开关电源的容量有小有大，这种干扰噪声的能量也有小有大，不是由简单的电容和电感组成的滤波网络都能解决的。有的必须同时采用共模和差模电感器才能抑制。有的专家建议：采用图2的标准模式电路，有利于发展成为标准模块，并最终完全集成化。如果一级不够，还可以再串接第二绵。便二集中力量开发和生产。这种标准模式电路中，抗共模干扰噪声的电感器仍然为两个绕组，一个激磁，一个去磁，无直流偏磁。抗差模干扰噪声的电感器有直流偏磁。现在生产这种直流电源抗干扰滤波器的国内外厂家都是采用铁氧体磁芯，因此对缩小它们的体积感到头痛。抗干扰的频率范围从7MHz至60MHz一直到600MHz至700MHz。显然采用非晶和微晶合金小环形磁芯（抗共模噪声电感器）和磁粉芯（抗差模噪声电感器）可以解决这个问题。在高频开关电源中还可以采用非晶和微晶磁性薄膜。国内已有单位（例如上海钢铁研究所试验所）对非晶和微晶磁粉芯进行开发。但还未见到国内有单位对采用非晶和微晶磁性薄膜开发抗干扰滤波器的报导。
图2 抗干扰滤波器标准模式电路
三、尖峰抑制电感器
尖峰抑制电感器的作用实际上是防止PWM硬开关电源中干扰噪声。PWM硬开关电源中产生干扰噪声的两个主要来源——开关器件和整流器件，都会产生尖峰电流，要用尖峰抑制电感器来限制。开关器件在开通和关断中间会产生尖峰电压和尖峰电流，一般都采用阻容吸收网络来吸收和抑制，如果在集电极串尖峰抑制电感器（磁珠），可以吸收尖峰电流和延缓电流上升或下降时间，有利于减少开关损耗和噪声。整流器件二极管在关断时会出现反向恢复电流，从而造成变压器副边瞬时短路，而引起高频振荡和电流尖峰，出现干扰噪声。在二极管引线中串尖峰抑制电感器（磁珠），可以阻止振荡和尖峰电流的产生，缩短二极管的反问恢复时间，消除干扰噪声。
这种尖峰抑制电感器最早是由日本东芝公司开发出来的，表2是东芝公司生产的SA系列尖峰抑制电感器性能表。它采用钴基非晶合金，磁滞回线为矩形，表现为开始未饱和时电感量大，后来饱和后电感量小的非线性电感特性，比采用软磁铁氧体抑制尖峰的效果好。由于铁芯要吸收能量，要发热和散热，在设计中必需采用高频损耗小的材料，同时要用耐热的陶瓷骨架。国内已开发铁基超微晶合金尖峰抑制电感器，价格比用钴基非晶合金下降4倍，在20、50、100KHz开关电源中进行过试验，可抑制原始电流尖峰70%。国内开发的钴基非晶合金OCH系列尖峰抑制电感器用铁芯尺寸见表3（生产单位为国家非晶微晶合金工程技术研究中心。）
四、功率因数校正电感器
开关电源采用桥式整流器和大电容器滤波时，输入电流呈小顶波，非正弦，输入功率因数只有0.5~0.7。国内外已实行的标准规定开关电源输入功率因数要达到0.9以上，必须采用功率因数校正电路来提高功率因数。现在一般都采用有源功率因数校正电路(例如升压开关电路)，其中的电感器与滤波电感器不同，主要是起能量储存和转移的作用，因此设计上要有所区别。有资料介绍采用铁基非晶合金铁芯作功率因数校正电感器用于 20KHz 2.5KVA功率因数校正电路，与用0.1厚硅钢铁芯相比，铁损从28.8W降到4.4W，重量从4.75kg降到4.2kg。现在国内外已推出用于输出滤波电感器和功率因数校正电感器系列非晶合金环形铁芯和环形粉芯(见下面介绍），已经可以批量生产。也有资料介绍采用FeCoBC磁性薄膜的储能电感器，用于5MHz 3W升压型开关电源，电源体积为9.3×25 ×2
。说明从较高频到超高频的功率因数校正电感器中，非晶和微晶合金都有用武之地。
五、输出滤波电感器
输出滤波电感器用来滤除整流后的交流纹波，除了交流电流而外，电感器中要流过比较大的直流电流，要求在直流偏磁的条件下，磁导率和电感量变化越小越好，也就是要具有恒磁导特性（或恒电感特性），即在一定的直流磁化范围内，磁导率（或电感值）不低于初始值的50%。国内外已开发出不同形式的非晶和微晶合金铁芯和磁粉芯用于输出滤波电感器。
表4 为采用恒导磁铁基非晶合金OFP环形铁芯系列表，恒导磁范围400~8000A/M (相当于5~100 Oe）。其工作频率最大为20KHz。表5为开口铁基微晶合金OFC环形铁芯系列表，恒导磁范围为0~4000A/M（相当于0~50 Oe），磁导率200~250。其最大工作频率也为20KHz。
非晶和微晶合金用作输出滤波电感器的性能比硅钢薄带 (0.1 mm 厚)和铁氧体好。表6是日本东芝公司生产的CY系列非晶合金输出滤波电感器与硅钢输出滤波电感器的比较。表7是日本大阪变压器厂生产的AEC系列非晶合金输出滤波电感器与铁氧体（EE-40）输出滤波电感器的比较。可以看出非晶合金铁芯的磁导率高，损耗小，因而体积小，温升低。
但是又是价格问题，阻碍了非晶和微晶合金在输出滤波电感器中的应用。由于价格比铁氧体高很多，而没有形成批量规模生产。现在输出滤波电感器中的铁芯，既不是大量用非晶和微晶合金铁芯，也不是大量用软磁铁氧体，而是大量使用磁粉芯，其中主要是铁镍、铁镍钼、铁铝硅磁粉芯。性能较好，价格适中，大规模生产时一致性也好。国外已经批量生产非晶和微晶合金磁粉芯。国内非晶和微晶合金磁粉芯尚处于开发和小批试生产阶段。试样性能在20~100KHz频率范围内与国外铁镍钼磁粉芯基本相当。
晶闸管（可控硅）直流电源用滤波电感器还是非晶合金未涉足的一片沃土。现在用的硅钢电感器损耗大，可听噪声也大，体积不小。而且生量产大。如果铁基非晶合金降到适当价格，有可能代替硅钢，作为这种电源用的输出滤波电感器。日本曾有人用磁粉芯制作过这种电感器，不但减少了损耗，缩小体积，还展宽了滤波频带，取得了良好的经济效益。
到这篇文章为止，介绍非晶和微晶合金在电源中应用的系列文章已告一段落。但是非晶和微晶合金在电源中应用并未停止，仍然在发展，在市场上的激烈竞争中拼搏。希望读者朋友们在读了这一系列文章后能对非晶和微晶合金的应用有所了解，这样就不会辜负《国际电子变压器》编辑部邀请我写这一系列文章的初衷了。更希望非晶和微晶合金在我国电子变压器和电源行业中的应用早日遍地开花结果，实现和我一起推广应用非晶和微晶合金的朋友们多年来的心愿。读者朋友们，让我们大家一起共同奋斗吧！
Application of Amorphons and Nanocrys-talline Alloy in Inductor
一、前 言
非晶微晶合金在电感器中的应用面临的竞争对手在低频中是硅钢，在中频和高频中是软磁铁氧体和磁粉芯。竞争的胜利与否既决定于性能，又决定于价格，还决定于批量生产的可能性和一致性。从现有的情况来看，非晶微晶合金在电感器中的应用经过一段时间的竞争后，在许多领域已逐步占领了部分市场，特别是在高频电感器中，非晶微晶磁性薄膜和磁粉芯有可能代替原来用的软磁铁氧体和坡莫合金磁粉芯，而占据主要地位。在高频和中频开关电源中，非晶和微晶合金可以用于抗干扰（EMI）滤波电感器，尖峰抑制电感器，功率因数校正电感器和输出滤波电感器。下面分别介绍非晶和微晶合金在这几种电感器中的应用情况。
二、抗干扰（EMI）滤波电感器
电磁干扰（EMI）是对环境的一种污染，为了防止电磁干扰，要采取措施来消除它，因而形成电磁兼容一门新学科。各国都制定了相应的标准，规定电子装置和仪器(包括中频和高频开关电源)既不能发散电磁干扰，又要能承受电磁干扰。为了防止开关电源受电网传来的电磁干扰和抑制电源散发出去的电磁干扰，除了采取电磁屏蔽措施而外，都要采用由电感器和电容器组成的抗干扰滤波器。一般电路形式如图1所示。输入部分接的是交流电源抗干扰滤波器，输出部分接的是直流电源抗干扰滤器。抗干扰滤波器与信号滤波器有较大的区别。首先抗干扰滤波器是按阻抗不匹配的条件来设计的，滤波器阻抗与输入或输出端口的阻抗越不匹配，对干扰(一般为射频)的能量衰减越有效，因此也叫反射滤波器。抑制的频带宽从几十KHz到几十MHz。通过电流比信号滤波器大得多，功率容量大，因此要考虑损耗、发热和产生的电压降。输入部分接的交流电源抗干扰滤波器不要对输入的50或60Hz电流产生衰减。由于接到220V或380V交流电源上，承受的耐压高，漏电流要小。一般至少要承受2000V耐压试验一分钟，不要发生击穿。
图1 抗干扰滤波器线路
从图1中可以看出，交流电源抗干扰滤波器包括抗差模和抗共模传导干扰两部分。平常工作在交流下，不会产生直流偏磁。抗共模干扰电感器有两个绕组，一般采用双股线关绕，但接法不同，一个激磁，一个去磁，有利于铁芯工作。国内生产这种交流电源抗干扰滤波器的厂家很多，但是无论是抗共模干扰还是抗差模干扰的电感器的铁芯，多半采用铁氧体和磁粉芯，只有个别的采用非晶和微晶合金。如果采用非晶和微晶合金作为铁芯，将会使这种交流电源抗干扰滤波器性能有比较大的提高。对抗共模干扰电感器来说，电感量大，为mH级，更是这样。非晶和微晶合金的导磁率高，可以用较少的绕组匝数来达到要求的较高的电感量，尺寸小，损耗低。分接电容的容量也可减少。自谐振频率高，可以增加抑制频率范围。饱和磁通密度高，在抑制幅值高的尖峰干扰时不会实现饱和而失效。表1是日本日产公司微晶铁芯FM系列抗共模干扰电感顺的技术性能和外形尺寸，体积及用铁氧体铁芯电感顺的1/2~1/3，在1KHz~10MHz范围内抗干扰效果好，对尖峰脉冲干扰衰减性也好，而且环境适应性和稳定性强。最近，日本日立公司为了适应表面安装技术的需要，又推出了低高度表面安装式微晶铁芯抗共模干扰电感器。抗差模干扰电感器由于无直流偏磁，同样可以采用非晶和微晶合金铁芯，由于它的电感量小，匝数更小，有时采用一匝，也就是在导线上套环形铁芯就可以了，这样，交流电源抗干扰滤器的结构简化，体积缩小。
非晶和微晶合金铁芯还可以用于晶闸管（可控硅）直流电源的交流输入抗干扰滤波器上。从前这种电源的进线电感，由于电流大，一般都用空芯电感器，用铜量多，损耗大，体积也不小。后来有的在进线母线上套一连串环形软磁铁氧体，损耗减少一些，体积仍然不小。如果改套非晶合金环形铁芯，显然可以只用一个环形磁芯，不但增加抗干扰能力，还可以降低损耗和体积，减少阻容吸收网络的容量。关键是要解决价格问题。如果非晶合金环形铁芯的价格的空心电感器（铜材）价格相当，就有推广价值。
输出的直流电源抗干扰滤波器，是防止开关电源对外面负载干扰的最后一道防线，相当重要。同时，有的开关电源是作为直流变换器，输入也是直流电源。为了防止开关电源产生的噪声干扰输入的直流电源，也需要直流电源抗干扰滤波器。通过多年的实践证明：开关电源的干扰噪声在低频差模噪声占主要成份，在高频段共模噪声占主要成份。由于开关电源的容量有小有大，这种干扰噪声的能量也有小有大，不是由简单的电容和电感组成的滤波网络都能解决的。有的必须同时采用共模和差模电感器才能抑制。有的专家建议：采用图2的标准模式电路，有利于发展成为标准模块，并最终完全集成化。如果一级不够，还可以再串接第二绵。便二集中力量开发和生产。这种标准模式电路中，抗共模干扰噪声的电感器仍然为两个绕组，一个激磁，一个去磁，无直流偏磁。抗差模干扰噪声的电感器有直流偏磁。现在生产这种直流电源抗干扰滤波器的国内外厂家都是采用铁氧体磁芯，因此对缩小它们的体积感到头痛。抗干扰的频率范围从7MHz至60MHz一直到600MHz至700MHz。显然采用非晶和微晶合金小环形磁芯（抗共模噪声电感器）和磁粉芯（抗差模噪声电感器）可以解决这个问题。在高频开关电源中还可以采用非晶和微晶磁性薄膜。国内已有单位（例如上海钢铁研究所试验所）对非晶和微晶磁粉芯进行开发。但还未见到国内有单位对采用非晶和微晶磁性薄膜开发抗干扰滤波器的报导。
图2 抗干扰滤波器标准模式电路
三、尖峰抑制电感器
尖峰抑制电感器的作用实际上是防止PWM硬开关电源中干扰噪声。PWM硬开关电源中产生干扰噪声的两个主要来源——开关器件和整流器件，都会产生尖峰电流，要用尖峰抑制电感器来限制。开关器件在开通和关断中间会产生尖峰电压和尖峰电流，一般都采用阻容吸收网络来吸收和抑制，如果在集电极串尖峰抑制电感器（磁珠），可以吸收尖峰电流和延缓电流上升或下降时间，有利于减少开关损耗和噪声。整流器件二极管在关断时会出现反向恢复电流，从而造成变压器副边瞬时短路，而引起高频振荡和电流尖峰，出现干扰噪声。在二极管引线中串尖峰抑制电感器（磁珠），可以阻止振荡和尖峰电流的产生，缩短二极管的反问恢复时间，消除干扰噪声。
这种尖峰抑制电感器最早是由日本东芝公司开发出来的，表2是东芝公司生产的SA系列尖峰抑制电感器性能表。它采用钴基非晶合金，磁滞回线为矩形，表现为开始未饱和时电感量大，后来饱和后电感量小的非线性电感特性，比采用软磁铁氧体抑制尖峰的效果好。由于铁芯要吸收能量，要发热和散热，在设计中必需采用高频损耗小的材料，同时要用耐热的陶瓷骨架。国内已开发铁基超微晶合金尖峰抑制电感器，价格比用钴基非晶合金下降4倍，在20、50、100KHz开关电源中进行过试验，可抑制原始电流尖峰70%。国内开发的钴基非晶合金OCH系列尖峰抑制电感器用铁芯尺寸见表3（生产单位为国家非晶微晶合金工程技术研究中心。）
四、功率因数校正电感器
开关电源采用桥式整流器和大电容器滤波时，输入电流呈小顶波，非正弦，输入功率因数只有0.5~0.7。国内外已实行的标准规定开关电源输入功率因数要达到0.9以上，必须采用功率因数校正电路来提高功率因数。现在一般都采用有源功率因数校正电路(例如升压开关电路)，其中的电感器与滤波电感器不同，主要是起能量储存和转移的作用，因此设计上要有所区别。有资料介绍采用铁基非晶合金铁芯作功率因数校正电感器用于 20KHz 2.5KVA功率因数校正电路，与用0.1厚硅钢铁芯相比，铁损从28.8W降到4.4W，重量从4.75kg降到4.2kg。现在国内外已推出用于输出滤波电感器和功率因数校正电感器系列非晶合金环形铁芯和环形粉芯(见下面介绍），已经可以批量生产。也有资料介绍采用FeCoBC磁性薄膜的储能电感器，用于5MHz 3W升压型开关电源，电源体积为9.3×25 ×2
。说明从较高频到超高频的功率因数校正电感器中，非晶和微晶合金都有用武之地。五、输出滤波电感器
输出滤波电感器用来滤除整流后的交流纹波，除了交流电流而外，电感器中要流过比较大的直流电流，要求在直流偏磁的条件下，磁导率和电感量变化越小越好，也就是要具有恒磁导特性（或恒电感特性），即在一定的直流磁化范围内，磁导率（或电感值）不低于初始值的50%。国内外已开发出不同形式的非晶和微晶合金铁芯和磁粉芯用于输出滤波电感器。
表4 为采用恒导磁铁基非晶合金OFP环形铁芯系列表，恒导磁范围400~8000A/M (相当于5~100 Oe）。其工作频率最大为20KHz。表5为开口铁基微晶合金OFC环形铁芯系列表，恒导磁范围为0~4000A/M（相当于0~50 Oe），磁导率200~250。其最大工作频率也为20KHz。
非晶和微晶合金用作输出滤波电感器的性能比硅钢薄带 (0.1 mm 厚)和铁氧体好。表6是日本东芝公司生产的CY系列非晶合金输出滤波电感器与硅钢输出滤波电感器的比较。表7是日本大阪变压器厂生产的AEC系列非晶合金输出滤波电感器与铁氧体（EE-40）输出滤波电感器的比较。可以看出非晶合金铁芯的磁导率高，损耗小，因而体积小，温升低。
但是又是价格问题，阻碍了非晶和微晶合金在输出滤波电感器中的应用。由于价格比铁氧体高很多，而没有形成批量规模生产。现在输出滤波电感器中的铁芯，既不是大量用非晶和微晶合金铁芯，也不是大量用软磁铁氧体，而是大量使用磁粉芯，其中主要是铁镍、铁镍钼、铁铝硅磁粉芯。性能较好，价格适中，大规模生产时一致性也好。国外已经批量生产非晶和微晶合金磁粉芯。国内非晶和微晶合金磁粉芯尚处于开发和小批试生产阶段。试样性能在20~100KHz频率范围内与国外铁镍钼磁粉芯基本相当。
晶闸管（可控硅）直流电源用滤波电感器还是非晶合金未涉足的一片沃土。现在用的硅钢电感器损耗大，可听噪声也大，体积不小。而且生量产大。如果铁基非晶合金降到适当价格，有可能代替硅钢，作为这种电源用的输出滤波电感器。日本曾有人用磁粉芯制作过这种电感器，不但减少了损耗，缩小体积，还展宽了滤波频带，取得了良好的经济效益。
到这篇文章为止，介绍非晶和微晶合金在电源中应用的系列文章已告一段落。但是非晶和微晶合金在电源中应用并未停止，仍然在发展，在市场上的激烈竞争中拼搏。希望读者朋友们在读了这一系列文章后能对非晶和微晶合金的应用有所了解，这样就不会辜负《国际电子变压器》编辑部邀请我写这一系列文章的初衷了。更希望非晶和微晶合金在我国电子变压器和电源行业中的应用早日遍地开花结果，实现和我一起推广应用非晶和微晶合金的朋友们多年来的心愿。读者朋友们，让我们大家一起共同奋斗吧！
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