非晶软磁材料在电感上的应用 Application of amorphous soft magnetic material for inducters 1引言 在电子设备中，广泛使用着各种储能、滤波电感器件，这些器件过去通常使用带气隙的硅钢、铁氧体、坡莫合金、磁粉心等。由于这些材料有各自的优、缺点，都有各自的使用范围。随着电源大功率、高频化、低功耗的发展，这些材料已经不能满足要求了。非晶软磁材料，由于其高频损耗小、磁导率高等优点，提供了满足要求的理想材料。 非晶软磁材料主要有铁基非晶、钴基非晶、纳米晶三种。电感又分为共模电感、差模电感、可饱和电感等。不同类型的电感对磁性的要求大不相同，因而使用的非晶材料也不同。 2共模电感 为了避免设备对电网的污染和电网对设备的共模干扰，常常需要在设备的输入端串入一只共模电感线圈（也称为电流补偿噪声抑制器）（图1）将共模信号吸收。 共模电感要求高初始磁导率，这样在低磁场下具有大的阻抗和插入损耗，对弱干扰具有极好的抑制作用。高磁导率可以减少线圈匝数，降低寄生电容等分布参数，使共振峰频率提高。在同等电感量的前提下缩小铁心的体积。 目前绝大多数共模电感使用铁氧体磁心。由于铁氧体的磁导率较低，对于30MHz以下，主要以传导方式传播的共模干扰，抑制作用较小。坡莫合金虽然磁导率高，但其高频磁导率降低太多，因此频率范围太窄，一般不被采用。 钴基非晶和纳米晶材料弥补了铁氧体材料的不足，两种材料与铁氧体的性能比较见表1、表2。 从表1、表2 可以看出，钴基非晶和纳米晶都具有比铁氧体高的饱和磁感、磁导率、居里温度。 2.1共模电感的优点 a、高初始导磁率：是铁氧体的5~20倍，因而具有更大的插入损耗，对传导干扰的抑制作用远大于铁氧体。 b、高饱和磁感应强度：比铁氧体高2~3倍。在电流强干扰的场合不易磁化到饱和。 c、卓越的温度稳定性：较高的居里温度，在有较大温度波动的情况下，合金的性能变化率明显低于铁氧体，具有优良的稳定性，而且性能的变化接近于线性。 d、灵活的频率特性：可以更加灵活地通过调整工艺来得到所需要的频率特性。通过不同的制造工艺，配合适当的线圈匝数可以得到不同的阻抗特性，满足不同波段的滤波要求，使其阻抗值大大高于铁氧体。 2.2钴基非晶与纳米晶比较有以下差别 a、钴基非晶由于贵金属钴的含量高，大约占60~70%，所以价格很高，是纳米晶的10倍多。 b、钴基非晶的饱和磁感为0.6~0.8T，是纳米晶的一半。 c、钴基非晶的居里温度比纳米晶低，因此，钴基非晶的温度特性不如纳米晶（图2）。 d、钴基非晶的磁致伸缩接近于零，所以对应力不敏感，受应力后性能几乎不发生变化，适用于冲击、震动的环境。 e、钴基非晶的高频特性比纳米晶好，频率范围更宽。 综合比较两种材料的特点，一般使用纳米晶铁心比较合适，经特殊热处理后，频率范围可扩展到几兆，这种纳米晶铁心已经批量应用在变频空调中，有效地抑制了传导干扰，保证了3C认证的通过。用于空调产品的共模电感铁心规格尺寸见表3： 图3为铁氧体和铁基纳米晶合金共模电感的的阻抗－频率关系。 共模电感的阻抗及其频率特性决定于铁心尺寸、材料特性、线圈匝数等因素。在尺寸、匝数相同的情况下，材料特性起决定作用。 3差摸电感 差摸电感用于滤波、储能等，由于有一定电流流过，有时还有直流叠加，因此要求材料的工作磁感要高，损耗要低。目前国内外一些厂家使用0.05mm的薄硅钢制作电感，虽然薄硅钢比一般使用的0.35mm的硅钢片的高频特性要好，损耗要低。但当工作频率大于20KHz时，铁心的损耗和温升过大，限制了它的使用。 铁基非晶材料的含硅量高达5.33%，比目前使用的硅钢片高很多，再加上非晶态的特殊结构，其电阻率为130μΩ，比普通硅钢片（47μΩ）高2倍。铁基非晶材料的厚度约30μm，硅钢片很难做到这么薄，因而在高频工作时的涡流损耗小，在400Hz～10kHz频率范围，损耗是硅钢片的1/3～1/5，在20KHz时损耗是薄硅钢的六分之一。因此，非晶电感的频率范围远远大于硅钢电感。在高频率时使用，可以选取比硅钢片高的工作磁感值，所以交直流叠加特性优于硅钢，而且可以减小体积。 3.1小电流滤波电感 小电流滤波电感（50安培以下），一般使用环形切口铁心(图4)。实验表明，非晶电感的工作频率可以到500kHz。表4 列出相同尺寸、相同电感量（100μH）、相同电流（10A）的两种材料的对比。 可以看出使用非晶电感的电源效率和温升，在高频情况下远优于薄硅钢。20kHz下非晶铁心的品质因数Q是薄硅钢的3～4倍。 非晶电感的交直流叠加特性优于硅钢电感。在变频器空调中使用的功率因数校正(PFC)电路，用来改善变频器的输入电流和电压波形，效果显著。变频空调PFC所需电感(图5)性能要求如下： 电性能指标：当I=0（A），1KHz，1V时，L=570（μH）±30% 当I(DC)=30（A），20KHz，1V时，L≥320（μH） 原来用硅钢电感达不到上述要求，用非晶制造的电感满足了上述要求，空调的功率因数达到0.99。目前已经大批量用于变频空调产品。 图6给出了在20kHz下测试电感量及其偏磁特性。 非晶电感铁心的饱和磁感、磁导率、损耗都优于磁粉心。表5列出非晶与磁粉心主要磁性的比较数据。 目前常用的OFC2系列电感铁心的规格、性能见表6。 其中OFC2-644020铁心已大批量用于50A通信电源中，取代了原来使用的铁粉心，温升大大降低。其他规格的铁心也大量应用在不同规格的电源中。 由于非晶材料的饱和值（Bs）高，是铁氧体的三倍，在相同使用条件下，电感量可达铁氧体的三倍，做成相同参数的滤波扼流圈时，体积仅为铁氧体的一半。非晶材料的居里温度高，因此，温度稳定性大大优于铁氧体。图7示出了非晶电感的温度特性。 在某舰船重点军工工程中的谐振电感，使用了非晶材料，比原设计使用的铁氧体磁心重量减少了三分之二，温升明显降低，提高了声纳发射机的可靠性。 3.2大电流滤波电感 电抗器适合大电流（50安培以上）的滤波，非晶C型铁心（图8）使用效果和环形切口电感一样，即减小体积、降低温升、提高电源效率。 C型铁心可以根据需要调整间隙，以达到合适的电感量，使用很方便。 C型铁心推荐的工作磁感在1.0T，这样可以保证电感的线性，同时考虑了交直流叠加时的余量。 图9给出了CFC-088045026030（窗高88mm、窗宽45mm、叠厚26 mm、高30 mm）铁心的直流偏磁特性。可以看出，CFC-088045026030铁心加间隙6mm时，直流叠加磁场在4000A/m时，电感量仅下降20%左右。其不加直流偏磁时，单匝电感量为0.23μН左右。 用于20kHz、5kW电源的一个电感，要求通过50A直流脉动电流，电感量70μH，原来使用4个φ105×55×40的铁粉心，体积大，铁心发热严重。使用非晶C型铁心仅用一个CFC-077035020020的铁心，铁心重量0.58kg，电感体积130×100×70mm。在风冷情况下，带5kW负载1小时，温度仅上升到40几度，已投入批量使用。 表7列出最常用的非晶C型铁心规格，性能见有关产品介绍。 以上规格的C型铁心已大量用于机车空调、移动式X光设备等电子设备中作为电源滤波电感，获得很好的效果。 3.3无气隙电感 环形切口铁心和C型铁心由于空气隙的存在，漏磁比较大。在设备体积小、元器件密度大的场合，要避免漏磁对其他器件的磁干扰，希望电感不要有漏磁。部分晶化的方法制造的电感铁心（图10）可以满足要求。这种铁心无气隙，饱和磁感应强度Bm=1.5T，剩磁Br<0.1T，恒磁导率250~1200，明显高于磁粉心。漏磁小；高频损耗低；优良的抗直流偏磁饱和能力；优良的温度稳定性，可在-55℃-130℃长时间工作。 表8 列出现在已经批量供货的无气隙电感铁心，这种铁心已经大量应用在汽车音响。并大量出口韩国。 4可饱和电感 可饱和电感用于磁放大器、尖峰抑制、脉冲压缩、可控硅保护等电路，要求铁心在磁化饱和前有尽量高的导磁率，而在饱和后的磁导率尽量低，铁心材料在高导磁率的同时应具有高的矩形比。 钴基非晶材料是最理想的材料，经磁场热处理后铁心的矩形比可以大于0.9，最高可0.98。钴基非晶在保持高矩形比的同时还具有低的高频损耗，用于高频磁放大器中，可以大大提高电源效率，大幅度减小重量、体积。 用钴基非晶铁心制作的磁放大器，用于150kHz的开关电源中，作为稳压器件，输出功率为12V/ 9A时的死角（不可控角）只有0.4~0.9μS，温升35~41℃，效率达到82%，有较宽的稳压范围。经2年多的应用证明性能稳定可靠。表9列出了常用磁放大器铁心的规格。 图11、图12为尖峰抑制器用钴基非晶铁心与同尺寸的铁氧体铁心的性能比较。可以看出，钴基非晶的矫顽力很小，显示出急剧磁化的上升的趋势。铁心的起始和最大电感值特别大，饱和后的电感几乎为零。这样实现了尖峰抑制器仅在电流上升的瞬间起高阻抗的作用，而在正常时是一个回路损耗很小的非线性电感线圈的目的。使用尖峰抑制器前后二极管恢复波形对比见图13。 采用钴基非晶的尖峰抑制器，可以制作成磁珠形式（图14），穿在二极管管脚上使用。表10列出OCB系列磁珠规格和性能。 纳米晶材料有与钴基非晶相接近的磁性能，但比钴基非晶的高频损耗大一些，矩形比低一些，仅达到0.85~0.9（表11），由于其价格便宜，作为中档的可饱和电感元件，在一些用量较大且要求不高的场合，得到大量的应用。由于纳米晶比钴基非晶脆，所以纳米晶不能制作成磁珠形式。 结束语 从以上介绍可以得知，非晶软磁材料在电感上的应用，弥补了其他软磁材料的不足，提高了电源的质量，减小了体积，降低了损耗和温升。显示了新材料的生命力。