1 前言
近年来，随着电器电子设备的高性能、高功能化和节能化，所用的开关电源也在不断的提高效率和缩小体积，不过由其电源中产生的高频电流噪声，引起其它电子设备和电力系统发生故障已是人们不可忽视的问题。作为所要采取的措施，使用有源滤波器电路方式最为引人注目，目前已进入实用化阶段。为了给有源滤波器中用的扼流圈通过大的输入电流，使施加直流偏压时的电感量变化小，谋求扼流圈具有良好的直流叠加特性，使用金属磁粉心较为合适。
不过，磁粉心与铁氧体磁心比较，不可否定的是磁粉心功率转换时的效率低，因此，作为开关电源用的扼流圈，迫切要求降低铁损耗。
以往，作为磁粉心用的磁性材料，大量使用的是普通铁粉，按上述要求，使用Ni-Fe系和Fe-Al-Si系合金粉末来制作磁粉心，可以显示出比较低的铁损特性，并一直作为开关电源扼流圈使用。本文以实现进一步降低铁损为目的，介绍使用铁基非晶软磁合金制作磁粉心。
考虑到扼流圈的实用化，通常采用金属粉末的水雾化法，制作铁基金属玻璃粉末（商标名：LiqualloyTM），并介绍了与过去同样在室温下采用单轴压制成型，制作的磁粉心的静态特性和装配在开关电源有源滤波器电路中的动态特性。
2 实验
按规定的组分称量金属原料和合金后，采用高频熔化成熔融金属，再用水雾化法制成“LiqualloyTM”粉末。作为粘合剂，该粉末中添加Si树脂和硬脂酸系润滑剂，混合后，用单轴粉末成型机，在室温下以1961Mpa的压力，压制成外径20mm、内径12mm、厚13.6mm环状成型体。获取的成型体在760K温度下，3.6KsN2气氛中进行退火，然后测试磁粉心的静态特性和动态特性。
用LCR仪表（YHP公司生产的4192A），施加10mA/m的磁场，在10K~10MHz的频率范围内，测试磁导率。用日本岩崎通信机公司生产的B-H分析仪（SY-8217），在Bm=100mT的励磁磁通密度，10K~1MHz的频率范围内测试铁损。将制成的非晶磁粉心装在采购来的采用有源滤波器电路方式的开关电源中，与装有Fe-Al-Si磁粉心的同等条件下，测试动态特性。比较电源效率和扼流圈周围的温升(ΔT)。
3 结果与研究
3.1 静态特性
图1和图2示出了所用的“LiqualloyTM”粉末的外观图像和XRD特性曲线。“LiqualloyTM”粉末的平均粒径D50约为12μm左右，呈球状。另外，根据XRD特性曲线，由于观察不到晶体结构衍射线的起因，只有光晕特性曲线，可以说获取的粉末属于非晶组织。一般情况下，将过去的铁基非晶合金粉末用雾化法制作时，由于非晶形成能量小，必须使用特殊的雾化装置进行超急冷。不过，由于“LiqualloyTM”粉末采用铜结晶器铸造法，可以制成松散的非晶试料，使非晶具有大的形成能量，制作一般的结晶金属粉末，同样可以使用普通的水雾化装置，制成成型性良好的球状粉末。
图3是用“LiqualloyTM”粉末制成的各种大小不一的磁粉心外观照片。由于铁基非晶合金的硬度高，使用一般的粉末成型机成型，粉末自身的塑性变形量小，成型困难，故几乎都使用热压机等一边加热一边同时加压成型。不过，采用这种方法生产效率低，没有实用价值。正如图3所示，本文所介绍的成型方法，使用单轴粉末成型装置成型，可以制成性能良好的成型体。
以图4为例，示出了Ф20×Ф12×13.6t环形磁粉心样品的磁导率(μ')频率依存关系。即在10MHz的频率范围内，表示μ'固定为μ'=60。作为开关电源平滑扼流圈使用时，由于其使用频率范围几百kHz~1MHz，本发明的磁粉心在10MHz的频率范围内，磁导率稳定，性能良好。
频率f=100kHz下的铁损(Pcv)与最大磁通密度(Bm)依存关系示于图5。为了便于比较，还列出了同等尺寸的Fe-Al-Si系合金磁粉心的性能参数。随着Bm的增加，示出的各种磁粉心的铁损也随之增加。但“LiqualloyTM” 磁粉心在同等测试频率下，随着Bm的增加，示出的铁损比Fe-Al-Si系合金和Fe-Ni系合金磁粉心要低，例如，在Bm=0.1T、f=100kHz条件下，Fe-Al-Si系合金和Fe-Ni系合金磁粉心，W1/100K=600~800KW/m3，“LiqualloyTM”磁粉心W1/100K=200KW/m3，比过去的合金磁粉心铁损低三分之一~四分之一。
为弄清“LiqualloyTM”磁粉心铁损低的原因，对“LiqualloyTM”磁粉心和Fe-Al-Si系合金的损耗进行了分离。图6呈现出两种磁粉心在Bm=0.1T条件下的Pcv / f与f的关系。这里，铁损的分离，是所观测到的铁损值Pcv除以测试频率下的Pcv / f与f的关系，Pcv-Pn等于涡流损耗(Pe)。
其结果，Fe-Al-Si磁粉心，Pcv / f对应f，显示的是线性函数增加，“LiqualloyTM”磁粉心，Pcv / f对应f，显示出稳定的2J/m3，基本看不到Pcv / f的增加，几乎不会产生涡流损耗(Pev)。由于涡流损耗(Pev)与磁粉心材料的电阻率倒数成比例，故可预测到“LiqualloyTM”磁粉心具有高的电阻率。表1示出了“LiqualloyTM”磁粉心、Fe-Al-Si磁粉心和Fe-Ni磁粉心的直流电阻(ρc)和金属自身的固有电阻(ρm)以及硬度(Hv)。由表1可知，“LiqualloyTM”磁粉心的ρc比Fe-Al-Si磁粉心和Fe-Ni磁粉心大102~106。因此，可以认为，显示出的低Pev，依存于磁粉心的高的电阻率中。“LiqualloyTM” 磁粉心具有高的电阻率，可通过以下的论证确认。即，“LiqualloyTM”金属自身具有非晶材料特有的高固有电阻，另外，粉末粒子均匀被覆着粘结树脂，且D50=12μm，与其他磁粉心比较，粉末比较细，因硬度是其他磁粉心的2~5倍，故压制成型的粉末比其他材料的塑性变形量小，塑性变形可抑制粉末表面绝缘层的部分破坏。因“LiqualloyTM”磁粉心在粘结树脂没有热固化的比较低的温度下热处理，会发挥出良好的磁性能，故被认为是产生高电阻的主要原因。
 表 1 “LiqualloyTM” 磁粉心、Fe-Al-Si磁粉心和Fe-Ni磁粉心及对应材料的电阻率和硬度
材料 电阻率(Ωm) 硬度(Hv)
 磁心 材料 
LiqualloyTM 3.07×103 1.68×10－6 980
Fe-Al-Si 17 0.82×10－6 500
Fe-Ni 0.005 0.56×10－6 150

此外，所展示的“LiqualloyTM” 磁粉心的Ph也比其他的磁粉心低。为了缓和制作试料工艺中的应力变化，用结晶软磁性金属制作的磁粉心，必须在1073K以上的高温下退火。另外，由于“LiqualloyTM”在接近773K温度时，产生玻璃临界温度，故在接近这一高温下退火，可预测到根据结构缓和的内部应力进一步释放。将Fe基非晶薄带和“LiqualloyTM”同组分金属玻璃薄带缠成圆棒，假如测试圆棒的半径ro和退火后薄带半径的比例r/ro，那么，金属玻璃在过冷却液体区域附近的温度下，对应r/ro=1，Fe基非晶合金系结晶化温度附近也升温到r/ro<1。薄带卷起来，可缓和内部应力，表示出适合于圆棒状材料，r/ro可以解释为缓和潜在的内部应力，r/ro=1的金属玻璃，在Tg附近的热处理温度下，较易缓和结构，与非晶合金比较，可充分释放内部应力。因此，“LiqualloyTM”磁粉心的Ph低，在热处理下，可充分释放应力，展现出金属玻璃所具有的良好软磁特性。
“LiqualloyTM”磁粉心，在比较低的温度下进行热处理，具有非晶磁性金属那样的良好软磁特性，在此基础上，在低的磁滞损耗下，进行低温下热处理，几乎不会引起粘结树脂的热固化，基于所实现的高电阻值，很难产生涡流损耗，并实现了低功耗。
3.2 动态特性
“LiqualloyTM”磁粉心具有低的铁损，为了弄清对电源的影响，要测试一下“LiqualloyTM”磁粉心的动态特性评价所用的电源线路图示于图7。为了对磁粉心进行评价，将其作为扼流圈装在改善开关电源功率的电路中，测试电源效率和磁粉心的温升。为了便于比较，同时对Fe-Al-Si金属磁粉心进行测试。
对应电流值(I)的η变化示于图8。由图可知，“LiqualloyTM”磁粉心的η比Fe-Al-Si磁粉心的大，在I=5A左右时，约大于2%。不过，随着I的增大，“LiqualloyTM”磁粉心与Fe-Al-Si磁粉心的差距变小。由于在I比较小的区域，大部分损耗为铁损，故应认真对待上述倾向。
对应I的温升示于图9。同I与η的关系一样，两种磁粉心在I下，“LiqualloyTM”磁粉心的ΔT比Fe-Al-Si磁粉心的低。这可以清楚的说明，由于“LiqualloyTM” 磁粉心损耗低，故释放热量小。由以上结果可知，“LiqualloyTM”磁粉心具有低损耗特性。并可改善电源自身的效率，以此同时还可抑制发热量，故可进一步提高电源的性能和节能效果。
4 结束语
使用铁基金属玻璃(LiqualloyTM)粉末制作磁粉心，与现有的磁粉心比较，有以下特点。
(1)铁基金属玻璃(LiqualloyTM)其自身具有高的非晶结构，用普通的水雾化法就可制成具有非晶单相组织的球形粉末。
(2)“LiqualloyTM”磁粉心具有与过去磁粉心相同的良好的直流叠加特性，并且显示出与铁氧体磁心相匹敌的低铁损。这是因为伴随“LiqualloyTM”所具有的软磁特性，高的固有电阻和高硬度以及粘结树脂的热老化，实现了低温热处理。
(3)“LiqualloyTM”磁粉心作为改善开关电源功率用的磁粉心，与过去所用的高性能Fe-Al-Si磁粉心相比，大大提高了电源效率，并降低了发热量。