摘要：高頻磁性元件作為開關電源的重要組成部分，直接影響著開關電源的效率、體積和成本。而磁心材料在很大程度上決定著磁性元件的性能。本文對一些磁件常用軟磁材料的基本特性進行了概括介紹，并進一步總結了這些材料的應用。<!--關鍵詞-->
關鍵詞：開關電源、高頻、磁性元件、磁心材料 <!--英文摘要-->
Abstract:
Magneticcomponentsaremajorpartsinswitch－ modepowersupplythataffectitsefficiency,volumeandcost.Inmuchdegree,thecorematerialcandeterminetheperformanceofmagneticcomponents.Thepaperintroducedsomekindsofsoft －magneticmaterialsandgeneralizedtheirusageinhigh－frequencycomponents.<!--英文關鍵詞--><!--cn_cata_no ,中圖分類號； ，文獻標識碼； ，文章標號 --> 中圖分類號: 文獻標識碼: 文章編號： <!--begin of font define--> 1引言
高頻開關電源作為一種比較新型的直流穩壓電源，具有效率高、體積小、重量輕等特點。因此在國際上受到廣泛重視，發展迅 速，市場前景廣闊。目前，開關電源的研究主要集中在兩個方面：一個是對小功率開關電源，如何更大程度地提高頻率、提高效率、減小體積和成本、實現集成化； 另一個是對大功率開關電源，如何提高頻率、效率及可靠性。這兩個研究方向，都牽涉到開關電源中的基本電磁器件（如圖1）的研究和開發，而作為決定電磁器件 性能、體積、效率等特性的磁心材料已被廣大研究工作者重視。隨著材料的組成及生產工藝的改進，性能優良的適于在高頻下應用的新型材料和產品不斷涌現。本文 將對一些在高頻下常用材料的性能、特點及其在低頻下的使用情況加以介紹，以便今后在磁件的設計、應用過程中，根據需要選擇性能價格比更高的磁心材料。
2高頻下使用的磁心材料的特點
圖1開關電源中的電磁器件
由圖1可以看出：開關電源中包含有多種用途的電磁器件，本文以電源變壓器為例來說明材料的特性。由于主電源變壓器有兩種 工作情況：即雙向激磁狀態和單向激磁狀態，這里僅以雙向激磁的主變壓器為例，來敘述適于在高頻情況下工作的材料一般應具有的特點。電源變壓器磁心的特征參 數可以表示為：
SCSO=P0(1＋1/η)/KuKeBmfJ
式中：SC——磁心有效截面積（cm2）；
SO——磁心窗口面積（cm2）；
η——變壓器效率；
Ku——波形系數；
Ke——窗口填充系數；
Bm——最大工作磁通密度（T）；
f——工作頻率（Hz）；
J——電流密度（A/mm2）；
PO——輸出功率（W）。
由上式可以看出：在輸出功率一定的情況下，要減小電源變壓器的體積，即要改變相關的特征參數，可以通過提高最大磁通密度Bm、工作頻率f、窗口填充系數Ke（受設備與工藝水平的限制）、提高效率η（即降低損耗）等方法來實現。但是磁心的磁滯渦流
損耗都與工作頻率f和工作磁通密度Bm相關。f升高或Bm增大，損耗都會大幅度增加，致使磁心發熱嚴重，這就要求磁心材料電阻率ρ要大，以有效抑制渦流損 耗。為了提高工作磁密Bm，材料的飽和磁密Bs要高，而且為了使磁件能夠在比較寬的溫度范圍內具有良好的工作特性，磁心材料的居里溫度Tc要求比較高。作 為傳輸功率的磁心材料的損耗應該很低。我們知道：大功率、低頻下的鐵心常采用硅鋼疊片組成，硅鋼的Bs、磁導率、居里溫度都比較高，但電阻率ρ很低，為 （10－5～10－8）Ω－m。工程上常用0.35mm和0.5mm兩種規格的硅鋼片。疊片的最小厚度決定著材料的上限工作頻率，如果要使硅鋼工作在 400Hz，疊片的厚度一般為0.1～0.15mm。更薄硅鋼片的加工工藝復雜，成本較高，且受到材料性能的限制，難以實現，這就使硅鋼片在高頻率下的應 用受到限制。
3高頻下常用的磁性材料
3.1鐵氧體
鐵氧體是一種非金屬磁性材料，一般由鐵、錳、鎂、銅等金屬氧化物粉末按一定比例混合壓制成型，然后在高溫下燒結而成的。 由于它的制造方法與陶瓷相似，所以又稱它為磁性瓷，在電性能上它呈半導體特性，外觀上它呈深灰色或黑色，硬而且脆。鐵氧體有兩個突出的特點：一是電阻率 高，二是磁導率高，這使它能夠在很寬的頻率范圍內（從kHz到MHz）廣泛應用，而且高頻、低功率的磁心都由整塊的鐵氧體組成。從組成上分，鐵氧體可分為 MnZn鐵氧體和NiZn鐵氧體，它們在性能上存在一定的差異。
MnZn鐵氧體的飽和磁密Bs一般為（0.2～0.35）T，電阻率為（10～103）Ω－m，居里溫度在200℃左 右，磁導率高，相對初始磁導率μi可高達10000，適合于1MHz以下做變壓器和扼流圈等磁心。NiZn鐵氧體比MnZn鐵氧體電阻率更高，一般為 （105～108）Ω－m，飽和磁密Bs為（0.3～0.5）T，磁導率比MnZn的低，居里溫度高于MnZn鐵氧體。它可用在（1～300）MHz的高 頻情況，性能優于MnZn鐵氧體。但由于我國鎳金屬含量沒有錳的含量豐富，NiZn鐵氧體的價格要比MnZn鐵氧體高很多。
值得注意的是：鐵氧體的溫度特性比較差，隨著溫度的升高，飽和磁密下降很明顯。另外，由于鐵氧體的飽和磁密不高（一般小于0.5T），因而它在低頻下幾乎不能使用。
3.2坡莫合金
坡莫合金實質上是鐵鎳（FeNi）合金，其矯頑力很低，而飽和磁密Bs、磁導率和居里溫度都很高，接近于純鐵。多元坡莫 合金，初始相對磁導率可達30000～80000，但是電阻率低，在10－7Ω－m左右，它可以被加工成極薄的薄片，所以可用在高達（20～30）kHz 的工作頻率。國內工程上常用厚度為0.02mm的坡莫合金薄帶，另外也有0.005mm厚的薄帶，但由于在磁心的卷繞過程中薄帶表面要絕緣，致使它的填充 系數大大降低，因此工程上很少使用。當應用頻率超過30kHz以上時，由于坡莫合金的電阻率低，其損耗會明顯增加。
3.3非晶、超微晶合金軟磁材料
非晶態金屬與合金是70年代才問世的新型軟磁材料，它的基礎元素由鐵、鎳、鈷、硅、硼、碳等組成。一般地說：非晶態材料 中，原子在空間的排列無秩序，不存在宏觀的磁各向異性，沒有晶態合金的晶粒、晶界存在，具有比晶體合金好得多的磁均勻一致性，所以它的磁化功率小、損耗很 低，具有很強的耐腐蝕性、耐磨性，電阻率比晶態合金高2～4倍（比鐵氧體低104左右）。由于非晶態合金的結構實質上是液體的過冷狀態，與玻璃相似，所以 也稱為金屬玻璃，把其中具有磁性的稱為磁性玻璃。非晶合金的硬度很高，是硅鋼的5倍，材料對應力特別敏感，經過良好的退火處理，可以使它的磁致伸縮趨于 零。居里溫度Tc約為（300～600）℃。特別適合于應用在（20～100）kHz的開關電源磁件中。非晶材料一般可分為鐵基、鐵鎳基、鈷基和超微晶合 金。這幾類合金各有不同的特點，在不同的方面得到應用。鐵基非晶具有較高的飽和磁密（1.4～1.8）T，鐵損低、成本低，可廣泛用于20kHz以下的配 電變壓器、大功率開關電源、脈沖變壓器、磁放大器、逆變器等。它代替硅鋼做配電變壓器，可以大幅度降低空載損耗和噪音，負載損耗和整體重量也會下降，可節 能60～70％，而且降低了對環境的噪聲污染。目前，對非晶材料應用于工頻配電變壓器的研究以美國和日本最為活躍，我國也在80年代中期開展了這方面的研 究和試制。西班牙Bilbao－ABBTrofodlsSA公司最近制造的三相（250～630）kVA非晶變壓器性能如表1所示：
表1非晶變壓器和硅鋼變壓器比較
容量（kVA）
非晶變壓器
硅鋼片變壓器
空載損耗（W）
負載損耗（W）
空載損耗（W）
負載損耗（W）
250
160
2300
650
3250
400
210
3650
930
4600
630
300
4930
1300
6500
鐵鎳基非晶合金具有中等的飽和磁密（0.7～1.2）T、低的鐵損、較高的初始磁導率和很高的最大磁導率，經退火后可以 得到很好的矩形回線，其應用領域可與中鎳坡莫合金對應，在音頻范圍的應用比鐵氧體優越。鐵鎳基高導磁非晶合金廣泛用于漏電開關、精密電流互感器鐵心及磁屏 蔽等領域。
鈷基非晶合金的飽和磁致伸縮系數為零或接近于零，因此它對應力不敏感。它有極高的初始磁導率和最大磁導率，很低的矯頑力 和高頻損耗，飽和磁密為（0.5～0.8）T，性能比鐵基非晶合金更好，但成本要比鐵基的高很多。它廣泛用于高頻開關電源、磁放大器、脈沖變壓器，工作頻 率可達200kHz，是高頻下應用的最佳材料。但是由于非晶的電阻率比鐵氧體的小得多，所以在高頻下渦流損耗很大，要使非晶工作在更高頻率還比較困難。
微晶軟磁材料是利用制作非晶帶材的工藝，首先獲得非晶態材料，再經過熱處理后獲得直徑為10～20納米的微晶，稱為超微 晶材料。它具有優異的綜合磁性能：初始磁導率可高達100000，飽和磁密高（1.2T），鐵損低等。與非晶相比，除Bs略低于鐵基非晶，Hc與鈷基非晶 相近，其余都優于各類非晶。在（20～100）kHz，除具有鐵鎳合金與鐵氧體的優勢外，還具有比鐵鎳合金更小的損耗，比鐵氧體更高的Bs和理想的熱穩定 性。工程上常用的超微晶薄帶一般為0.02mm，最高工作頻率可達500kHz。因為晶態金屬材料與非晶態材料相比，在溫度變化大、有沖擊和震動情況下的 性能穩定，所以除一些工作環境非常惡劣的情況，或是要求性能高度穩定的軍用場合，一般都可以用超微晶代替坡莫合金，超微晶的價格要比坡莫合金低。另外通過 不同的生產工藝可以分別獲得具有高矩形系數、高脈沖磁導率、低剩磁等特性。因此可以說這種材料是MHz級以下高頻開關電源變壓器、電感器及高頻脈沖變壓器 的首選材料。
由上可見：非晶、超微晶合金材料的應用極為廣闊，已被譽為21世紀的綠色節能材料，它們的應用前景非常光明。
3.4鐵粉心材料
鐵粉心材料多年來被廣泛用于射頻（RF）領域中，現在它作為恒磁通功率磁元件大量地應用在電力電子電路中。它內部固有的 分布氣隙使它非常適于做各種儲存能量的電感。在需要氣隙的情況下，它還可以取代鐵氧體和鐵合金疊片的應用，作為輸出濾波電感、功率因數校正電感、連續模式 的反激式電感及EMI/RFI應用的電感鐵心，初始相對磁導率μi在10～100范圍內，飽和磁通密度在（0.5～1.4）T之間，矯頑力Hc一般也不 大，在（3.5～10）Oe左右。
4小結
把工程上常用高頻磁性材料的主要特性歸納于表2中，供電源技術人員參考。
表2工程常用高頻磁性材料特性對比表
材料特性
鐵氧體
非晶
鐵基超微晶
坡莫合金
MnZn
NiZn
鐵基
鐵鎳基
鈷基
初始相對磁導率
1000～10000
<2000
×104
×104
8×104
(8～10)×104
104～106
飽和磁密（T）
0.3～0.5
<0.4
1.4～1.8
0.7～1.2
0.6～1.0
1.2～1.4
>0.75
電阻率（Ω）
10103
105～108
(1.0～1.6)×10－4
(1.25～1.3)×10－4
(1.5～2.0)×10－4
(0.8～1.0)×10－4
10－5
居里溫度（℃）
100～300
100～400
<450
<300
300～450
650左右
560左右
應用頻率范圍kHz
<100
100～1000
<100
<100
<200
<500
<30
由軟磁鐵氧體、非晶、微晶、超微晶材料制作的磁性元件是高頻電力電子技術的重要組成部分，它決定著電力電子設備的體積和 效率。磁性材料的性能的高低，是影響電磁器件各項性能和體積的至關重要的決定因素。當電磁器件的工作頻率要求很高時，或者要求成本較低時，應當選用鐵氧體 材料，但要考慮到它的溫度特性的影響。非晶、微晶、超微晶等材料以其優異的性能，在工作環境不太惡劣的情況下，完全可以替代坡莫合金的使用。可以說，高性 能的磁性材料的不斷出現，為磁件的發展提供了有利的條件，并給原來在應用上受到限制的一些器件提供了新的發展趨勢和應用。了解市場，抓住一切有利的條件， 掌握最新材料信息，開發和變革磁性元件已成為我們的當務之急。
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