1 前言
非晶合金通常通过熔体快速固化的方法得到，冷却速度一般需要105℃/s，类似于材料的液相结构。缺乏长程有序使非晶合金具有高的电阻率，高的磁导率，较低的矫顽力，从而具有较低的直流磁滞损耗和低的涡流损耗，有着广泛应用[1]。另外，高电阻率使其在高频应用中非常具有吸引力。非晶合金在电感器和变压器方面有着广泛的应用，近来在高频开关电源的抗干扰应用中也表现突出[2]。
开关电源以功耗小、效率高、体积小、重量轻的优势广泛应用于电子领域，工作频率呈现不断提高的趋势。但随着频率的增加，由于电路中分布电感和电容或二极管中存储电荷的影响，产生了浪涌或噪声。这不仅会影响周围电子设备，还会降低电源本身的可靠性。在频率较低的开关电源里，采用R-C或L-C缓冲器可以得到一定程度的解决，但在高频开关电源里却受到损耗和发热方面的制约而不能充分发挥效益。对此，日本TOSHIBA、HITACHI公司、德国VAC公司利用非晶合金的优异软磁性能开发了一种非晶磁环，可以对噪声的发生加以磁路控制[3]。
2 噪声分析
开关电源产生电磁干扰的根本原因，在于工作过程中产生的大的电流变化（di/dt）和大的电压变化（dv/dt），它们所产生的浪涌电流和尖峰电压就形成了干扰源。其中最主要的干扰是由开关管高频工作时电压切换，输出整流二极管的反向恢复产生的。二极管外加正向电压时，载流子被存储在它的PN结中。当二极管外加电压切换到反向电压后，电流会反向流动，在反向电压的作用下，存储在PN结中的载流子会被快速抽离（即二极管的反向恢复），致使载流子在消失过程中反向恢复电流急剧减少而发生很大的电流变化。
开关电源工作频率越高，开关管两端的工作电压切换速度越快，整流二极管的电流变化就会越快，既di/dt越大。而对于开关电源开关管的驱动波形，波形边缘引起的频率分量的频率值，典型值已在MHz范围，谐波频率就更高了。这些高频信号都对开关电源基本信号，尤其对控制电路的信号造成干扰，这些干扰即称为电磁噪声。
3 非晶磁环工作原理
输出整流二极管的反向恢复问题可以通过在输出整流管上串联一个非晶磁环来抑制。其抑制原理可以用图1中非晶软磁合金的磁滞回线来说明。过程如下：当二极管两端外加正向电压时，磁心饱和并处于B-H曲线的1位置上，这时电感量非常低，阻抗很小，对电路的影响可以忽略；当二极管两端的外加电压切换到反向电压时，磁心就会通过路线2发生磁通变化，由于非晶软磁合金磁化矩形比高，具有非常高的磁导率，因此它的电感量迅速增大，呈现的阻抗很大，能有效地抑制二极管的尖峰电流，这就是所谓的“软恢复”；同时，非晶软磁合金具有良好的饱和特性，磁心很快饱和，即进入3的状态，电感量恢复到接近为零；当二极管外加电压切换回正向电压，正向电流开始通向二极管，磁心在4路线上被磁化，电感增加及磁心很快达到饱和。然后开始另一循环。从图中还可以看到，非晶软磁合金的B-H曲线面积较小，有低损耗特性。
图2为非晶软磁合金与铁氧体在B-H磁化特性和功能原理上的比较，从中可以，非晶软磁合金的具有Bs高、矩形比高，电感变化大，B-H曲线面积小（共耗小）等优异特性。        
4 实验
4.1 测试结果
（1）图3、4分别为未加非晶磁环，频率为1kHz、10kHz的正弦输入信号经过二极管后的输出波形。从图中可以看出，当正弦输入信号频率为10kHz时，二极管两端的外加电压由正向电压向反向电压切换过程中，输出在反向电压出现了很高的尖脉冲，即输出波形出现了严重的干扰。随着输入信号频率的进一步增加，干扰会越加严重。
（2）选用宽6.5mm，厚0.075mm的Fe73.5Cu1Nb3Si13.5B9非晶软磁合金带材，卷成圆环，绝缘，然后在磁芯上绕上一定匝数的漆包线，就可以做成非晶磁环。将所做成的非晶磁环和整流二极管串接，并用函数发生器输入一定幅值和频率的正弦信号，通过观察输出波形，来研究非晶磁环对波形中干扰的抑制效果。如图5a所示，所加的非晶磁环未经过任何处理，输入正弦信号的频率为10kHz，可以看出，输出波形基本没什么变化，反向电压中尖脉冲的幅值没有减低，干扰改善不明显。
（3）为了提高非晶软磁合金的抗干扰效果，在673K~1073K温度范围内对非晶磁环经过不同时间段等温退火处理，然后通以频率为10kHz的正弦信号，观察输出波形并进行比较，实验数据显示非晶磁环在813K~833K的温度范围内做等温退火，保温时间可选择20min，40min，60min，输出波形中的干扰改善较明显。如图5b所示，所加的非晶磁环在833K温度下经过恒温退火60min，输入的正弦信号频率为10kHz。可以看出，波形中的干扰得到较好改善。虽然波形的幅值有所下降，但相对而言，反向电压中尖脉冲幅值的减小更为显著。
4.2 结果分析
图6为Fe73.5Cu1Nb3Si13.5B9的DSC曲线，由图可知，分别在峰值560℃和峰值690℃出现了放热峰，即833K为第一晶化峰值温度，963K为第二晶化峰值温度。图7为Fe73.5Cu1Nb3Si13.5B9磁滞回线，图中，a代表的曲线是Fe73.5Cu1Nb3Si13.5B9未经过任何处理所测得磁滞回线，b代表的曲线是Fe73.5Cu1Nb3Si13.5B9经过在833K温度恒温退火60min处理后所测得磁滞回线。由图可知，与a相比较，曲线b中的Ms有所下降，斜率增加，更接近于垂直，体现出更好的软磁性能。
图8是铁损Ps随频率F变化的曲线，图9是相对磁化率μa随频率F变化的曲线，其中，A未经过任何处理，B经过883K温度恒温退火60min的处理。由图8可知，A的Ps随频率的增加而急剧增大，B的Ps随频率的增加基本保持不变，而且值很小；频率对μa的影响很小，从图9可以看出，B的μa要明显高于A。              
图10为 Fe73.5Cu1Nb3Si13.5B9的X衍射图，其中，A未经过任何处理，在2θ为40°~50°之间出现漫散的衍射峰，表明合金为非晶态，B经过833K温度恒温退火60min的处理。从图中可以看出，B相对A而言，出现了明显的晶化峰，即在非晶的基体上长出了纳米晶[4]。
5 结束语
非晶软磁合金，局域原子有序，在方向上随机变化，产生了无序各向异性，具有优异的软磁特性，用以制作的各种磁性器件，磁性能好，损耗少，被广泛应用。就本工作而言，用非晶软磁合金制作的非晶磁环在用于缓和二极管开关时发生的反向恢复方面，产生非常好的效果，不过在抗干扰、损耗方面还有待进一步完善。

参考文献
[1] [美]R.C.奥汉德利著；周永洽等译.化学工业出版社， 2002.11
[2] 余声明.抗EMI磁性元器件在开关电源中的应用.国际电子变压器，2007.01
[3] 蒯家新，严智渊.非晶磁环在开关电源EMI中的应用.国际电子变压器，2006.04
[4] Le Thi Mai Hoa. Structural properties and evaluation of crystal fraction by cryogenic heat capacity measurements of Fe-based nanocrystalline alloy. Journal of Alloys and Compounds 420(2006)50-53
[5] N. Ponpandian， A. Narayanasamy， D. Prabhu， K. Ganesan， M. Manivel Raja， K.Chattopadhyay. Critical phenomena in FINMET alloy. Journal of Magnetism and Magnetic Materials 296(2006) 67-76
[6] Q. Z.Zhi， B. S. Dong， W. Z. Chen， K.Y. He. Elevated temperature initial permeability study of Fe73.5Cu1Nb3Si13.5B9 alloy. Materials Science and Engineering A 448(2007) 249-252
[7] O. Crisan， J.M. Le Breton， A.D. Crisan， G. Filoti. Study of crystallization processes in Gd-substituted Finemet alloys. Journal of Alloys and Compounds 422(2006)194-202
[8] 王全保主编. 新编电子变压器手册. 辽宁科学技术出版社， 2007.6