摘要：  主要介绍应用于强电领域的MnZn功率铁氧体材料及磁心的研制进展。

关键字：  强电领域，铁氧体，磁心，太阳能发电，风电发电

1 引言
近年来，高频电子电路无论在工业电子设备，还是在民用电子设备中都得到了非常广泛的应用。电源是电子设备的重要组成部份，是电子设备正常工作的重要保障。为适应电源向小型化方向发展，电路工作频率越来越高。因此，以前一直被用作电抗器及变压器用磁性材料的硅钢片因随着频率的升高功耗急剧增大，而不再能满足技术要求，取而代之的是铁氧体材料。铁氧体材料是满足高频带下具有较低的磁心损耗，同时能满足大功率转换的最佳磁性材料，由此材料制成的铁氧体磁心通常具有较大的尺寸。
早期用于大功率转换的铁氧体材料主要有PC40和PE22材料，但随着太阳能发电、风力发电及燃料电池发电等市场的迫切需求，要求进一步小型化和高频化的同时，还要求进一步提高电源转换效率，这就要求铁氧体材料必须具有高饱和磁通密度、高频低功耗特性以及良好的直流叠加，日本TDK公司最近开发的PE90是这类铁氧体材料的杰出代表。
2 PC40与PE22材料性能特征
从表1可以看出，与PC40材料相比，PE22材料磁导率为1800±25%，比PC40略低，25kHz，200mT条件下的功耗(100℃)比PC40高约14%，100kHz，200mT条件下的功耗(100℃)比PC40高约24%，但PE22材料在常温(23℃)和高温(100℃)条件下的饱和磁通密度为510mT和410mT，分别比PC40材料高出2%和10%，PE22材料具有良好的直流叠加特性。
由图2可以看出PE22和PC40材料在25kHz，200mT和100kHz，200mT条件下的功耗-温度特性。PC40功耗最低点在90℃附近，而PE22材料功耗最低点在95~100℃。
图3、图4分别是PE22材料和PC40材料在23℃和100℃条件下功耗——频率特性，图5则是两种材料的磁导率温度特性，由图5可以看出，PE22材料的实际居里温度≥240℃。图6是两种材料的饱和磁通密度随温度的变化，随着温度上升，饱和磁通密度的差异逐步增大。
3 大功率铁氧体磁心形状及应用
大功率铁氧体磁心通常尺寸很大，其形状主要有以下几种：环形、UF形、EC形、EIC形、PQ形、EE形、DT(跑道)形以及PM形。其中最大的环形Ø310，重量达5.9kg，最大的UF形UF120重量达15kg，最大的EE320重量6.2kg。
这些大功率铁氧体磁心主要用于制作变压器和电抗器扼流圈，广泛应用于高频电磁加热器、不间断电源、通信设备电源、电动汽车、电流传感器等。
4 大功率铁氧体材料进展
随着全球对环保要求越来越高，可再生能源在能源供应中的比例越来越大。可再生能源主要包括太阳能发电、风力发电以及燃料电池发电等。
图7是世界发达国家太阳能发电量年增长情况。其中德国增长最快，由2003年900MW上升到2008年的5400MW，5年中上升6倍。由2008年世界各国太阳能发电总量来看，德国位居第一；西班牙以3166MW的发电量处第二；日本处于第三，发电量为2149MW；美国第四，为1173MW。
无论是太阳能发电、风力发电还是燃料电池发电都需要功率调节器。而功率调节器需要用到电抗器扼流圈及变压器。早期功率调节器工作频率在15~20kHz，主要磁性材料使用硅钢片和磁粉芯（铁硅铝）。为进一步提高功率转换效率，以及减少体积，电路工作频率将逐步提高到30~35kHz，但此频率下硅钢板和磁粉心的功耗会急剧上升，以至于无法正常使用。为此日本TDK公司开发了新的铁氧体PE90材料。
与硅钢片、铁硅铝等传统磁性材料相比，PE90材料具有极低的功率损耗，见图8。
图9显示由上述三种材料制成相同尺寸的电抗器扼流圈，在16kHz，100mT，100℃条件下PE90材料功耗比硅钢片要低93%左右，比铁硅铝材料要低68%左右。[#page#]
5 PE90铁氧体材料性能特性
表2为PE90材料与PE22材料性能技术指标对比，与PE22材料相比，PE90材料具有明显的性能优势，起始磁导率高400，居里温度高10℃左右，25kHz×200mT，100℃条件下的功耗低15%，100kHz×200mT，100℃条件下功耗为400mW/cm3，比PE22低25%以上。图10为PE90与PE22材料在25kHz×200mT条件下，功耗温度特性，PE90功耗最低点在90℃左右。图11为两种材料的起始磁导率频谱特性。
PE90材料最突出的优点是其常温下Bs高达530mT，100℃条件下Bs高达430mT，因此具有非常优秀的直流叠加特性，图12是PE90和PE22材料饱和磁通密度随温度的变化。图13是PE90与PE22材料直流叠加特性。
图13显示的是分别由PE22和PE90材料制成的尺寸大小和形状完全一样的电抗器的直流叠加特性。两电抗器在未加直流时，电感相同为1.1mH（通过调节气隙量的大小），电抗器形状和尺寸见图14。该电抗器中铁氧体磁心重量1.4kg，铜线圈重0.5kg，由图中可以看出，对于PE22材料等直流为19A时，电感下跌到1.0mH（下跌10%）；而对于PE90材料，等直流为21A时，电感量才下跌到1.0mH，与PE22材料相比，PE90具有更优良的直流叠加特性。这可以从图15两种材料B-H曲线上反映出来。
6 电抗扼流圈及变压器用于功率调节器实例
图16，17，18分别是应用于太阳能发电、风力发电以及燃料电池发电基本电路原理图。