开关电源用铁芯采用钴基非晶、铁基纳米晶(超微晶)合金 …
硅钢片铁芯、坡莫合金、非晶及纳米晶软磁合金
硅钢片铁芯、坡莫合金、非晶及纳米晶软磁合金一.磁性材料的基本特性1. 磁性材料的磁化曲线磁性材料是由铁磁性物质或亚铁磁性物质组成的，在外加磁场H 作用下，必有相应的磁化强度M 或磁感应强度B，它们随磁场强度H 的变化曲线称为磁化曲线（M～H或B～H曲线）。
磁化曲线一般来说是非线性的，具有2个特点：磁饱和现象及磁滞现象。
即当磁场强度H足够大时，磁化强度M达到一个确定的饱和值Ms，继续增大H，Ms保持不变；以及当材料的M值达到饱和后，外磁场H降低为零时，M并不恢复为零，而是沿MsMr曲线变化。
材料的工作状态相当于M～H曲线或B～H曲线上的某一点，该点常称为工作点。
2. 软磁材料的常用磁性能参数饱和磁感应强度Bs：其大小取决于材料的成分，它所对应的物理状态是材料内部的磁化矢量整齐排列。
剩余磁感应强度Br：是磁滞回线上的特征参数，H回到0时的B值。
矩形比：Br∕Bs矫顽力Hc：是表示材料磁化难易程度的量，取决于材料的成分及缺陷（杂质、应力等）。
磁导率μ：是磁滞回线上任何点所对应的B与H的比值，与器件工作状态密切相关。
初始磁导率μi、最大磁导率μm、微分磁导率μd、振幅磁导率μa、有效磁导率μe、脉冲磁导率μp。
居里温度Tc：铁磁物质的磁化强度随温度升高而下降，达到某一温度时，自发磁化消失，转变为顺磁性，该临界温度为居里温度。
它确定了磁性器件工作的上限温度。
损耗P：磁滞损耗Ph及涡流损耗Pe P = Ph + Pe = af + bf2+ c Pe ∝f2 t2 / ，ρ 降低，磁滞损耗Ph的方法是降低矫顽力Hc；降低涡流损耗Pe 的方法是减薄磁性材料的厚度t 及提高材料的电阻率ρ。
在自由静止空气中磁芯的损耗与磁芯的温升关系为：总功率耗散（mW）/表面积（cm2）3. 软磁材料的磁性参数与器件的电气参数之间的转换在设计软磁器件时，首先要根据电路的要求确定器件的电压～电流特性。
器件的电压～电流特性与磁芯的几何形状及磁化状态密切相关。
高频变压器制作与技术参数计算
图1 开关电源原理图图2 ⼯作点测试⽰意图3 变压器主要参数的计算本例中的变换器采⽤单端反激式⼯作⽅式，单端反激变换器在⼩功率开关电源设计中应⽤⾮常⼴泛，且多路输出较⽅便。
单端反激电源的⼯作模式有两种：电流连续模式和电流断续模式。
前者适⽤于较⼩功率，副边⼆极管存在没有反向恢复的问题，但MOS管的峰值电流相对较⼤;后者MOS管的峰值电流相对较⼩，但存在副边⼆极管的反向恢复问题，需要给⼆极管加吸收电路。
这两种⼯作模式可根据实际需求来选择，本⽂采⽤了后者。
设计变压器时⼤多需要考虑下⾯问题：变换器频率f(H2);初级电压U1(V)，次级电压U2(V);次级电流i2(A);绕组线路参数n1、，n2;温升τ(℃);绕组相对电压降u;环境温度τHJ(℃);绝缘材料密度γz(g/cm3)1)根据变压器的输出功率选取铁芯，所选取的铁芯的户，值应等于或⼤于给定值。
2)绕组每伏匝数(1)ST是铁芯的截⾯积;kT是窗⼝的填充系数;3)初级绕组电势E1=U1(1-) (2)4)初级绕组匝数W1=W0El (3)5)次级绕组电势E2i=U2i (1+) (4)6)次级绕组匝数W2i=W0E2i (5)7)初级绕组电流(6)8)次级绕组电流(7)其中，n1、n2：分别是初级绕组和次级绕组的每层匝数。
9)初级绕组线径(8)10)次级绕组线径(9)其中，j是电流密度。
详细的变压器设计⽅法与计算相当复杂，本⽂参照经验公式，依据下⾯的步骤设计了本例转换器中的⾼频变压器。
3.1 确定变压器的变⽐根据输出电压U0的关系式(10)得变⽐为(11)式中UD为整流器输出的直流电压。
本例中UD=24V，f为100kHz，tON取0.5;n=2。
3.2 计算初级线圈中的电流已知输出直流电压U0=±12V、5V，负载电流均为I0=lA，则输出功率P0=P1+P2+P3=29W开关电源的效率η⼀般在60～90%之间，本例取η=0.65，则输⼊功率为初级的平均电流为假定初级线圈的初始电流为零，那么，在开关管的导通期tON⾥，初级线圈中的电流⼼便从零开始线性增长到峰值I1P3.3 计算初级绕组圈数N1初级绕组的最⼩电感L1为根据输出功率P的⼤⼩，选⽤适当的磁芯，其形状⽤环形、EI形或罐形均可，本例采⽤EI28，该类型的铁芯在f=50kHz时，功率可达到60W，在f=100kHz时，输出功率可达到90W。
开关电源中磁粉芯认识, 铁氧体,粉芯, EMC,滤波电感
一). 粉芯类1. 磁粉芯磁粉芯是由铁磁性粉粒与绝缘介质混合压制而成的一种软磁材料。
由于铁磁性颗粒很小（高频下使用的为0.5~5微米），又被非磁性电绝缘膜物质隔开，因此，一方面可以隔绝涡流，材料适用于较高频率；另一方面由于颗粒之间的间隙效应，导致材料具有低导磁率及恒导磁特性；又由于颗粒尺寸小，基本上不发生集肤现象，磁导率随频率的变化也就较为稳定。
主要用于高频电感。
磁粉芯的磁电性能主要取决于粉粒材料的导磁率、粉粒的大小和形状、它们的填充系数、绝缘介质的含量、成型压力及热处理工艺等。
常用的磁粉芯有铁粉芯、坡莫合金粉芯及铁硅铝粉芯三种。
磁芯的有效磁导率me及电感的计算公式为： me = DL/4N2S ´ 109其中： D为磁芯平均直径（cm），L为电感量（享），N为绕线匝数，S为磁芯有效截面积（cm2）。
(1). 铁粉芯常用铁粉芯是由碳基铁磁粉及树脂碳基铁磁粉构成。
在粉芯中价格最低。
饱和磁感应强度值在1.4T左右；磁导率范围从22~100; 初始磁导率mi随频率的变化稳定性好；直流电流叠加性能好；但高频下损耗高。
(2). 坡莫合金粉芯坡莫合金粉芯主要有钼坡莫合金粉芯(MPP)及高磁通量粉芯(High Flux)。
MPP是由81%Ni, 2%Mo, 及Fe粉构成。
主要特点是: 饱和磁感应强度值在7500Gs左右；磁导率范围大，从14~550; 在粉末磁芯中具有最低的损耗；温度稳定性极佳，广泛用于太空设备、露天设备等；磁致伸缩系数接近零，在不同的频率下工作时无噪声产生。
主要应用于300KHz以下的高品质因素Q滤波器、感应负载线圈、谐振电路、在对温度稳定性要求高的LC电路上常用、输出电感、功率因素补偿电路等, 在AC电路中常用, 粉芯中价格最贵。
高磁通粉芯HF是由50%Ni, 50%Fe粉构成。
主要特点是: 饱和磁感应强度值在15000Gs左右；磁导率范围从14~160; 在粉末磁芯中具有最高的磁感应强度，最高的直流偏压能力；磁芯体积小。
非晶、纳米晶软磁合金磁芯介绍
非晶、纳米晶软磁合金磁芯介绍1、讲授人：朱正吼,非晶、纳米晶软磁合金磁芯介绍,非晶及纳米晶软磁合金,牌号和基本成分铁基非晶合金铁镍基非晶合金铁基纳米晶合金非晶及纳米晶软磁合金磁芯非晶及纳米晶磁芯应用汇总销售---思索,,牌号和基本成分,,铁基非晶合金,组成：80%Fe、20%Si,B 类金属元素性能：1.高饱和磁感应强度〔1.54T〕；2.与硅钢片的损耗比较：磁导率、激磁电流和铁损等都优于硅钢片。
特殊是铁损低〔为取向硅钢片的1/3－1/5〕，代替硅钢做配电变压器可节能60－70％。
应用：广泛应用于配电变压器、大功率开关电源、脉冲变压器、磁放大器、中频变压器及逆变器铁芯，适合于10kHz以2、下频率使用。
,,铁镍基非晶合金,组成：40%Ni、40%Fe及20%类金属元素性能：1.具有中等饱和磁感应强度〔0.8T〕、较高的初始磁导率和很高的最大磁导率以及高的机械强度和优良的韧性。
2.在中、低频率下具有低的铁损。
3.空气中热处理不发生氧化，经磁场退火后可得到很好的矩形回线。
应用：广泛用于漏电开关、精密电流互感器铁芯、磁屏蔽等。
,,铁基纳米晶合金,组成：铁元素为主，加入少量的Nb、Cu、Si、B元素所构成的合金，经快速凝固工艺形成一种非晶态材料。
热处理后获得直径为10－20nm的微晶,弥散分布在非晶态的基体上，被称为微晶、纳米晶材料。
性能：具有优异3、的综合磁性能，高饱和磁感、高初始磁导率、低Hc，高磁感下的高频损耗低，电阻率比坡莫合金高。
经纵向或横向磁场处理，可得到高Br或低Br值。
是目前市场上综合性能最好的材料。
应用：广泛应用于大功率开关电源、逆变电源、磁放大器、高频变压器、高频变换器、高频扼流圈铁芯、电流互感器铁芯、漏电爱护开关、共模电感铁芯。
,,非晶及纳米晶软磁合金磁芯,磁放大器磁芯滤波电感磁芯高频大功率磁芯恒电感磁芯电流互感器磁芯实例1：磁芯在开关电源中使用实例2：非晶磁芯在LED灯具上应用,,磁放大器磁芯,什么是磁放大器性能特点应用范围计算机ATX电源和通讯开关电源,,性能特点,,应用范围4、,磁放大器能使开关电源得到精确的掌握，从而提高了其稳定性。
磁性材料的分类以及特点
磁性材料的分类以及特点一、带绕铁芯硅钢片是一种合金，在纯铁中加入少量的硅（一般在4.5%以下）形成的铁硅系合金称为硅钢该类铁芯具有最高的饱和磁感应强度值为12000高斯; 由于它们具有较好的磁电性能，又易于大批生产，价格便宜，机械应力影响小等优点，在电力电子行业中获得极为广泛的应用，如电力变压器、配电变压器、电流互感器等铁芯。
是软磁材料中产量和使用量最大的材料。
也是电源变压器用磁性材料中用量最大的材料。
特别是在低频、大功率下最为适用。
常用的有冷轧硅钢薄板DG3、冷轧无取向电工钢带DW、冷轧取向电工钢带DQ，适用于各类电子系统、家用电器中的中、小功率低频变压器和扼流圈、电抗器、电感器铁芯，这类合金韧性好，可以冲片、切割等加工，铁芯有叠片式及卷绕式。
但高频下损耗急剧增加，一般使用频率不超过400Hz。
从应用角度看，对硅钢的选择要考虑两方面的因素：磁性和成本。
对小型电机、电抗器和继电器，可选纯铁或低硅钢片；对于大型电机，可选高硅热轧硅钢片、单取向或无取向冷轧硅钢片；对变压器常选用单取向冷轧硅钢片。
在工频下使用时，常用带材的厚度为0.2~0.35 毫米；在400Hz 下使用时，常选0.1 毫米厚度为宜。
厚度越薄，价格越高。
2、坡莫合金坡莫合金常指铁镍系合金，镍含量在30~90%范围内。
是应用非常广泛的软磁合金。
通过适当的工艺，可以有效地控制磁性能，比如超过十万的初始磁导率、超过一百万的最大磁导率、低到千分之二奥斯特的矫顽力、接近1 或接近零的矩形系数，具有面心立方晶体结构的坡莫合金具有很好的塑性，可以加工成1 微米的超薄带及各种使用形态。
常用的合金有1J50、1J79、1J85等。
1J50 的饱和磁感应强度比硅钢稍低一些，但磁导率比硅钢高几十倍，铁损也比硅钢低2~3倍。
做成较高频率(400~8000Hz)的变压器，空载电流小，适合制作100 瓦以下小型较高频率变压器。
1J79 具有好的综合性能，适用于高频低电压变压器，漏电保护开关铁芯、共模电感铁芯及电流互感器铁芯。
磁芯材料的介绍
电力电子电路常用磁芯元件的设计一、常用磁性材料的基本知识磁性元件可以说是电力电子电路中关键的元件之一，它对电力电子装置的体积、效率等有重要影响，因此，磁性元件的设计也是电力电子电路系统设计的重要环节。
磁性材料有很多种类，特性各异，不同的应用场合有不同的选择，以下是几种常用的磁性材料。
1．低碳钢低碳钢是一种最常见的磁性材料，这种材料电阻率很低，因此涡流损耗较大，实际应用时常制成硅钢片。
硅钢片是一种合金材料（通常由97%的铁和3%的硅组成），它具有很高的磁导率，并且每一薄片之间相互绝缘，使得材料的涡流损耗显著减小。
磁芯损耗取决于材料的厚度与硅含量，硅含量越高、电阻率越大。
这种材料大多应用于低频场合，工频磁性元件常用这种材料。
2．铁氧体随着工作频率的提高，对磁芯损耗的要求更高，硅钢片由于制造工艺的限制，已经很难满足这种要求，铁氧体就是在这种形势下出现的。
铁氧体是一种暗灰色或者黑色的陶瓷材料。
铁氧体的化合物是MeFe2O4，这里Me代表一种或几种二价的金属元素，例如，锰、锌、镍、钴、铜、铁或镁。
这些化合物在特定的温度范围内表现出良好的磁性能，但是如果超出某个温度值，磁性将失去，这个温度称为居里温度（T c）。
铁氧体材料非常容易磁化，并且具有相当高的电阻率。
这些材料不需要像硅钢片那样分层隔离就能用在高频的应用场合。
高频铁氧体磁性材料主要可分为两大类：锰锌（MnZn）铁氧体材料和镍锌（NiZn）铁氧体材料。
比较而言，NiZn材料的电阻率较高，一般认为在高频应用场合下具有较低的涡流损耗。
但是最近的研究表明，如果颗粒的尺寸足够小而且均匀，在几兆赫兹范围内MnZn材料显示出较NiZn材料更为优越的特性，例如，TDK公司的H7F材料以及MAGNETICS公司的K材料就是采用这种技术，适用于兆赫兹工作频率下工作的新型铁氧体材料。
3．粉芯材料粉芯材料是将一些合金原料研磨成精细的粉末状颗粒，然后在这些颗粒的表面覆盖上一层绝缘物质（它用来控制气隙的尺寸，并且降低涡流损耗），最后这些粉末在高压下形成各种磁芯形状。
非晶带材国家标准
非晶带材1 范围本标准规定了非晶带材的定义和分类、技术要求、试验方法、验收规则等。
本标准适用于制造配电变压器、中频变压器、高频开关电源变压器、脉冲变压器、互感器、滤波电感和电抗器、共模电感、磁放大器和饱和电感、传感器等铁芯以及磁屏蔽用的非晶、纳米晶软磁合金带材（以下简称带材）。
2 引用标准3 术语和定义、分类4 要求4.1 化学性能本标准规定的各类非晶带材应符合表1、表2、表3、表4中相应的化学性能。
合金的牌号和化学成分（熔炼分析）如表1、表2、表3、表4中的规定，化学成分不作为判定依据。
如需方有特殊要求，其化学成分也可由供需双方协商确定。
表2 钴基非晶软磁合金的化学性能表3 铁镍基非晶软磁合金的化学性能注1：表中符号at为元素的原子数分数。
注2：表中化学成分表达式中的M为一种或者几种其他过渡金属元素。
注3：牌号中的字母J、H分别代表材料退火后具有矩形磁滞回线和低剩磁扁平滞回线特性，无字母的表示普通磁滞回线特性。
4.2 物理性能4.2.1 尺寸及允许偏差4.2.1.1 尺寸范围带材宽度为0.5mm～220mm,厚度为0.015mm～0.050mm。
供货带材具体尺寸由供需双方在上述尺寸范围内协商确定。
4.2.1.2 尺寸允许偏差4.2.1.2.1 厚度允许偏差同一炉带材沿长度方向的厚度偏差应在平均厚度的±10%以内，在宽度方向的厚度偏差应在±0.002mm以内。
4.2.1.2.2 宽度允许偏差带材的宽度允许偏差应符合表5的规定。
4.2.2 外形带材应平整光滑，不应有影响使用的波浪形、皱褶等缺陷。
边缘不应有裂口和毛刺。
4.2.3 重量带材按实际重量交货。
4.2.4 交货状态带材一般为制备态，成卷或成条交货。
4.2.5 磁性能带材的磁性能应符合表6的规定。
表中的磁性能是经过热处理后的数据。
注1：表中的磁性能为材料经过供方提供的热处理厚按照标准方法测得的数值。
注2：牌号中的字母J、H分别代表材料退火后具有矩形磁滞回线和低剩磁扁平滞回线特性，无字母的表示普通磁滞回线特性。
非晶合金制备的冶金知识
物质就其原子排列方式来说，可以划分为晶体和非晶体两类。
有些物质里面的原子排列是整齐有序的，就象阅兵式上的士兵，这叫做晶体，比如食盐、钻石、普通的钢铁就是这样。
也有些物质的原子排列是混乱的，就象一堆钢球的混乱堆积，这叫做非晶体，比如液体、气体、玻璃、塑料等。
对于金属材料来说，通常情况下，金属及合金在从液体凝固成固体（例如炼钢后的钢水凝固成钢锭）时，原子总是从液体的混乱排列转变成整齐的排列，即成为晶体。
因为只有这样，其结构才最稳定。
但是，如果金属或合金的凝固速度非常快（例如用每秒高达一百万度的冷却速率将铁－硼合金熔体凝固），原子来不及整齐排列便被冻结住了，最终的原子排列方式类似于液体，是混乱的，这就是非晶合金。
因为非晶合金原子的混乱排列情况类似于玻璃，所以又称为金属玻璃。
在下面的示意图中，右图为非晶体内部原子排列，左图为晶体的原子排列。
什么样的物质能够制造成非晶呢？从理论上说，任何物质主要它的液体冷却足够快，原子来不及整齐排列就凝固，那么原子在液态时的混乱排列被迅速冻结，就可以形成非晶。
但是，不同的物质形成非晶所需要的冷却速度大不相同。
例如，普通的玻璃只要慢慢冷却下来，得到的玻璃就是非晶态的。
而单一的金属则需要每秒高达一亿度以上的冷却速度才能形成非晶态。
由于目前工艺水平的限制，实际生产中难以达到如此高的冷却速度，也就是说，普通的单一的金属难以从生产上制成非晶。
为了获得非晶态的金属，一般将金属与其它物质混合。
当原子尺寸和性质不同的几种物质搭配混合后，就形成了合金。
这些合金具有两个重要性质：A、合金的成分一般在冶金学上的所谓“共晶”点附近，它们的熔点远低于纯金属，例如FeSiB合金的熔点一般为1200度以下，而纯铁的熔点为1538度；B、由于原子的种类多了，合金在液体时它们的原子更加难以移动，在冷却时更加难以整齐排列，也就是说更加容易被“冻结”成非晶。
有了上面的两个重要条件，合金才可能比较容易地形成非晶。