高频磁性材料

[编者按]此文对于高频磁性元件（变压器、电感器等）所用的磁性材料作了一个很好的综述，与本期主题内容紧密配合。希望电源技术工作者多写一些这种文章，一定会受到读者的欢迎。

高频磁性元件的磁心材料

CoreMaterialsofHigh－FrequencyMagneticComponent

福州大学李智华罗恒廉费鸿俊（福州350002）

摘要：高频磁性元件作为开关电源的重要组成部分，直接影响着开关电源的效率、体积和成本。而磁心材料在很大

程度上决定着磁性元件的性能。本文对一些磁件常用软磁材料的基本特性进行了概括介绍，并进一步总结了这些材

料的应用。

关键词：开关电源、高频、磁性元件、磁心材料

Abstract:Magneticcomponentsaremajorpartsinswitch－

modepowersupplythataffectitsefficiency,volumeandcost.Inmuchdegree,thecorematerialcandeterminetheperf

ormanceofmagneticcomponents.Thepaperintroducedsomekindsofsoft－

magneticmaterialsandgeneralizedtheirusageinhigh－frequencycomponents.

Keywords:Switch－modepowersupplyHigh－frequencyMagneticcomponentcorematerial

1引言

高频开关电源作为一种比较新型的直流稳压电源，具有效率高、体积小、重量轻等特点。因此在国际上受到广泛重视，发展迅速，市场前景广阔。目前，开关电源的研究主要集中在两个方面：一个是对小功率开关电源，如何更大程度地提高频率、提高效率、减小体积和成本、实现集成化；另一个是对大功率开关电源，如何提高频率、效率及可靠性。这两个研究方向，都牵涉到开关电源中的基本电磁器件（如图1）的研究和开发，而作为决定电磁器件性能、体积、效率等特性的磁心材料已被广大研究工作者重视。随着材料的组成及生产工艺的改进，性能优良的适于在高频下应用的新型材料和产品不断涌现。本文将对一些在高频下常用材料的性能、特点及其在低频下的使用情况加以介绍，以便今后在磁件的设计、应用过程中，根据需要选择性能价格比更高的磁心材料。

2高频下使用的磁心材料的特点

图1开关电源中的电磁器件

由图1可以看出：开关电源中包含有多种用途的电磁器件，本文以电源变压器为例来说明材料的特性。由于主电源变压器有两种工作情况：即双向激磁状态和单向激磁状态，这里仅以双向激磁的主变压器为例，来叙述适于在高频情况下工作的材料一般应具有的特点。电源变压器磁心的特征参数可以表示为：

SCSO=P0(1＋1/η)/KuKeBmfJ

式中：SC——磁心有效截面积（cm2）；

SO——磁心窗口面积（cm2）；

η——变压器效率；

Ku——波形系数；

Ke——窗口填充系数；

Bm——最大工作磁通密度（T）；

f——工作频率（Hz）；

J——电流密度（A/mm2）；

PO——输出功率（W）。

由上式可以看出：在输出功率一定的情况下，要减小电源变压器的体积，即要改变相关的特征参数，可以通过提高最大磁通密度Bm、工作频率f、窗口填充系数Ke（受设备与工艺水平的限制）、提高效率η（即降低损耗）等方法来实现。但是磁心的磁滞涡流

损耗都与工作频率f和工作磁通密度Bm相关。f升高或Bm增大，损耗都会大幅度增加，致使磁心发热严重，这就要求磁心材料电阻率ρ要大，以有效抑制涡流损耗。为了提高工作磁密Bm，材料的饱和磁密Bs要高，而且为了使磁件能够在比较宽的温度范围内具有良好的工作特性，磁心材料的居里温度Tc要求比较高。作为传输功率的磁心材料的损耗应该很低。我们知道：大功率、低频下的铁心常采用硅钢叠片组成，硅钢的Bs、磁导率、居里温度都比较高，但电阻率ρ很低，为（10－5～10－8）Ω－m。工程上常用0.35mm 和0.5mm两种规格的硅钢片。叠片的最小厚度决定着材料的上限工作频率，如果要使硅钢工作在400Hz，叠片的厚度一般为0.1～0.15mm。更薄硅钢片的加工工艺复杂，成本较高，且受到材料性能的限制，难以实现，这就使硅钢片在高频率下的应用受到限制。

3高频下常用的磁性材料

3.1铁氧体

铁氧体是一种非金属磁性材料，一般由铁、锰、镁、铜等金属氧化物粉末按一定比例混合压制成型，然后在高温下烧结而成的。由于它的制造方法与陶瓷相似，所以又称它为磁性瓷，在电性能上它呈半导体特性，外观上它呈深灰色或黑色，硬而且脆。铁氧体有两个突出的特点：一是电阻率高，二是磁导率高，这使它能够在很宽的频率范围内（从kHz到MHz）广泛应用，而且高频、低功率的磁心都由整块的铁氧体组成。从组成上分，铁氧体可分为MnZn铁氧体和NiZn铁氧体，它们在性能上存在一定的差异。

MnZn铁氧体的饱和磁密Bs一般为（0.2～0.35）T，电阻率为（10～103）Ω－m，居里温度在200℃左右，磁导率高，相对初始磁导率μi可高达10000，适合于1MHz以下做变压器和扼流圈等磁心。NiZn铁氧体比MnZn铁氧体电阻率更高，一般为（105～108）Ω－m，饱和磁密Bs为（0.3～0.5）T，磁导率比MnZn的低，居里温度高于MnZn铁氧体。它可用在（1～300）MHz的高频情况，性能优于MnZn铁氧体。但由于我国镍金属含量没有锰的含量丰富，NiZn铁氧体的价格要比MnZn铁氧体高很多。

值得注意的是：铁氧体的温度特性比较差，随着温度的升高，饱和磁密下降很明显。另外，由于铁氧体的饱和磁密不高（一般小于0.5T），因而它在低频下几乎不能使用。

3.2坡莫合金

坡莫合金实质上是铁镍（FeNi）合金，其矫顽力很低，而饱和磁密Bs、磁导率和居里温度都很高，接近于纯铁。多元坡莫合金，初始相对磁导率可达30000～80000，但是电阻率低，在10－7Ω－m左右，它可以被加工成极薄的薄片，所以可用在高达（20～30）kHz的工作频率。国内工程上常用厚度为0.02mm的坡莫合金薄带，另外也有0.005mm厚的薄带，但由于在磁心的卷绕过程中薄带表面要绝缘，致使它的填充系数大大降低，因此工程上很少使用。当应用频率超过30kHz以上时，由于坡莫合金的电阻率低，其损耗会明显增加。

3.3非晶、超微晶合金软磁材料