摘要：  LED和无极灯作为第四代电光源具有节能环保的特点，其配套电路中需用到软磁铁氧体。本文介绍了此类软磁铁氧体及其性能特点。

关键字：  LED，无极灯，软磁铁氧体，性能，磁心

1 引言
利用电能做功，产生可见光的光源叫电光源。1879年，爱迪生发明了白炽灯，使得白炽灯成为第一代电光源。自此后，荧光灯，高强度气体放电灯分别成为第二、第三代电光源。从电力产生光源的历史来看，LED灯与无极灯同属第4代电光源，前者属固体发光，后者为弧光放电。它们有着多项相似的特点，但在应用领域上各有偏重。LED灯目前主要用于景观装饰、字幕广告等照明，单体功率小；而无极灯主要以工作场所和户外公共照明为主，单体功率大。今后这两种最新技术的绿色照明电光源将会在各自发光机理的基础上继续发展，并逐步取代大部分传统照明电光源。
绿色照明节能设备中大都需用软磁铁氧体磁心作为功率器件，这形成了目前和未来软磁材料最庞大的市场之一。
2 LED用软磁铁氧体
近年来，全球性的能源短缺和环境污染问题日益突出，人们迫切希望应用节能环保的新技术，半导体照明就是这种新技术。所谓半导体照明，是指用半导体发光二极管作为光源的固态照明。LED照明技术是上世纪60年代末发展起来的，它的核心部件是发光二极管，其发光原理是在微观尺度上，让移动的电子“掉进”量子阱，从而产生一定波长的光。由于这个过程几乎不存在热能损耗，因此相比于传统的白炽灯、荧光灯，发光效率高得多。近年来，LED在景观照明、屏幕显示等领域的应用已相对成熟。2009年初，为了扩大内需，推动中国LED产业的发展，降低能源消耗，中国科技部推出“十城万盏”半导体照明应用示范城市方案。 
LED需要使用恒流驱动电源，主要有两种驱动方式，分别是电荷泵驱动和电感式驱动。电荷泵驱动利用电容将电流从输入端传到输出端，整个方案不需要用到电感，具有体积小，设计简单的优点，但输出电压范围有限，不适用于白光LED驱动等大功率场合。电感式驱动会用到铁氧体磁心，铁氧体起能量存储和转化作用。LED驱动电路的拓扑结构有降压、升压、升-降压、反激式等。降压、升压、升-降压等拓扑结构中的电感常使用由NiZn材料制成的工字型和I型磁心，如图1所示。反激式拓扑中的变压器则常使用锰锌铁氧体材料制成的EE、EFD、EM、PQ、EPC型磁心，如图2所示。使用电感式驱动需要注意漏磁的问题，因为漏磁一方面会产生电磁干扰，另一方面会产生额外的损耗。对于开磁路的工字型磁心，最好配置一个磁屏蔽框，如图3(a)所示；对于开气隙的闭合磁路磁心，应注意选用漏磁小的扁平型磁心，如图3(b)所示。
LED驱动电源对软磁铁氧体材料的性能要求较高，要根据电感和变压器的使用要求，选用合适的材料。由于LED驱动电源的工作频率不高，大多数在几十到几百千赫兹，选材时应重点考虑饱和磁通密度。表1显示了针对LED应用推出的锰锌低损耗高磁通密度材料TP4G。至于镍锌材料，由于电感值高有利于减小纹波电流，使用磁导率800-1200的低损耗材料较好，详见表2。
表 1  TP4G材料性能指标
特性 测试条件 TP4G
起始磁导率μi f=10kHz、B＜0.25mT 25℃ 2000±25%
饱和磁通密度Bs(mT) H=1194A/m 25℃ 530
  100℃ 430
功率损耗
Pcv(kW/m3) f=100kHz、B=200mT 25℃ 750
  100℃ 440
居里温度TC (℃)  - 260
密度d(g/cm3)  - 4.80

3 无极灯用软磁铁氧体
照明灯具的寿命十分重要，电极的寿命成为制约传统光源寿命的瓶颈。上世纪70年代美国人发明了无灯丝和电极的无极灯，这是照明领域的一大突破。但无极灯的发展并不顺利，直到最近20年才有成熟产品出现，究其原因就是配套功率电子器件的发展滞后。电磁感应灯主要由高频发生器、耦合线圈及灯泡三部分组成。按磁心的放置方式分为内置式和外置式。内置式无极灯以Philips公司的QL无极灯为代表，它是在一梨形灯泡内放置一中空管道，将绕以线圈的磁心插入中空管道，线圈的工作频率是2.65MHz[1]。图4和图5显示了内置式无极灯的基本结构和实物。
由于内置式工作频率高，故也称为高频无极灯，磁心的形状采用环形磁心。内置式无极灯磁心以前选用镍锌铁氧体材料，由于镍锌铁氧体材料的起始磁导率低、功率损耗比较大，磁心又包裹在灯泡中，散热比较差，工作温度在130℃以上，严重影响无极灯的寿命。最近，科研部门和部分企业开始采用高频锰锌功率铁氧体材料替代镍锌材料，如天通公司的TP5B材料，指标见表3。采用TP5B比传统镍锌材料的损耗小很多，温升可降低30℃以上。
外置式无极灯以Osram公司的ENDURA无极灯为代表。该灯采用闭合放电回路，一个或多个绕有线圈的磁心环绕在灯管上，磁心等效于变压器的初级，灯管等效于变压器的次级。由于采用了磁心外置的方式，灯泡的形状变得多样化了，图6和图7显示了外置式无极灯的基本结构和实物。图8显示了外置式无极灯所用的磁心。[#page#]
外置式无极灯工作频率为200-300kHz，故又称为低频无极灯。外置式无极灯的灯泡被铁氧体磁心包围，处于其产生的电磁场区域内，由于软磁铁氧体磁心紧贴灯泡工作，温度超过120℃，甚至130℃，一般铁氧体材料在如此高温下工作损耗很大，导致发热严重，导致涂层材料烤焦变色，影响无极灯使用寿命和安全。据反映，使用一般PC40材质的环型白色涂层磁心，工作10小时后，涂层由白色变为黄色。所以需要开发适应正常工作温度在130-140℃的软磁铁氧体材料。天通公司根据客户要求开发了TP4F材料，具体指标见表4和图9。使用了该材料后，磁心和灯管温度能显著降低，从而提高电磁感应灯的寿命。
随着低频无极灯的推广，近来出现了一种新需求，要求无极灯在-20℃-50℃环境中正常工作，由于传统磁性材料低温磁导率低，使得耦合线圈电感量低，导致部分无极灯在低温下无法启动。为此，天通公司推出了宽温低损耗锰锌铁氧体材料TPW33，该材料-20℃时的磁导率比传统材料TP4高20%以上，而且温度变化时损耗变化不大，指标见表5。图10显示了TPW33的起始磁导率和功率损耗的温度特性。
4 结束语
第四代电光源的显著特点是光效高和寿命长，但由于磁性材料等配套元器件的选型问题，有些灯的光效和寿命并不理想，希望本文对LED和无极灯设计师选择磁性材料有所帮助。
参考文献
[1] 陈玉明，陈大华，李维德等.LVD无极灯[M].上海：复旦大学出版社，2009:5-12.

作者简介
邵峰，高级工程师，现任天通控股股份有限公司材料研究所所长，浙江省电源学会理事，浙江省铁氧体材料标准化技术委员会专家委员，从事磁性材料研发、生产十余年。