新的電源鐵氧體磁心及其應(yīng)用
1引言
當前高頻開關(guān)電源已經(jīng)在計算機、通信及廣播電視等電子設(shè)備中得到了廣泛應(yīng)用,這種電源的主變壓器及扼流圈等均使用軟磁鐵氧體磁心。軟磁鐵氧體材料的工業(yè)生產(chǎn)已有40多年歷史,國內(nèi)生產(chǎn)企業(yè)很多,個別企業(yè)已實現(xiàn)規(guī)模生產(chǎn),產(chǎn)品質(zhì)量已接近或達到國際水平。早期,軟磁鐵氧體主要制作弱磁場范圍的電感器件,80年代以后,在大磁場下,應(yīng)用的軟磁鐵氧體(主要是MnZn系列)產(chǎn)量不斷增長。因此,80~90年代世界軟磁鐵氧體產(chǎn)量仍保持強勁發(fā)展的勢頭,應(yīng)首先歸功于高頻電源鐵氧體材料的開發(fā)和應(yīng)用。據(jù)估計,目前功率鐵氧體材料產(chǎn)量已占軟磁鐵氧體總量的50%左右(按重量計)。
隨著電子設(shè)備的小型化和輕量化,要求電源也必須實現(xiàn)小型、薄形和輕量。提高開關(guān)頻率是滿足上述要求的最好方法;連帶的問題是開發(fā)適用于更高工作頻率的新型鐵氧體材料。近年來,國內(nèi)外主要鐵氧體廠商致力于開發(fā)新的功率鐵氧體材料〖1〗。國內(nèi)已經(jīng)開發(fā)出適用于開關(guān)頻率為100~500kHz及500kHz~1MHz的新型鐵氧體材料。此外,為適應(yīng)高頻開關(guān)電源變壓器的設(shè)計,有人提出新的設(shè)計參數(shù),開發(fā)了適合高頻應(yīng)用的小型化的新型磁心尺寸系列。所有這些工作,均為高頻開關(guān)電源的發(fā)展鋪平了道路。
2功率鐵氧體材料的技術(shù)性能及發(fā)展動向
軟磁鐵氧體材料主要有MnZn、NiZn、MgZn系三大類。其中MnZn系鐵氧體材料有高的磁導(dǎo)率和較高的飽和磁感應(yīng)強度,在1MHz以下有低的磁損耗,所以更適合于大功率使用。目前,功率鐵氧體材料主要應(yīng)用于高壓變壓器(如電視機行輸出變壓器),開關(guān)電源變壓器、扼流圈及其它變壓器(如驅(qū)動變壓器)等,上述應(yīng)用對鐵氧體材料主要電磁特性要求可歸納以下三點:
(1)飽和磁感應(yīng)強度Bs要盡可能高;
(2)磁心功率損耗Pc在實際工作頻率和工作溫度范圍(如60~100℃)要盡可能低;
(3)磁導(dǎo)率(通常指大磁場下振幅磁導(dǎo)率μa或交直流疊加下增量磁導(dǎo)率μ△)要適當?shù)馗摺?/P>
附加的要求還有居里點要高(通常大于200℃)。對于工作頻率高于100kHz的高頻開關(guān)電源變壓器,還要求材料電阻率高,以降低渦流損耗。
國內(nèi)功率鐵氧體材料應(yīng)用和開發(fā)大致可分為四個階段:
第一階段,70年代到80年代中期。功率鐵氧體材料主要用作黑白或彩色電視機的行輸出變壓器,其實際工作頻率為15~100kHz,通常采用U形磁心,典型的國產(chǎn)鐵氧體材料有R1.5K、R2KD等,相當?shù)膰獠牧嫌腥毡綯DK公司的H3T材料。
第二階段,80年代初到中、后期。功率鐵氧體材料在彩電和計算機開關(guān)電源中得到大量采用,其工作頻率為20~100kHz,通常采用EE、EI、EC或ETD型磁心。典型的國產(chǎn)鐵氧體材料有R2KBD。相當?shù)膰獠牧嫌腥毡綯DK公司的PC30材料。
第三階段,80年代后期到90年代初期。為了縮小電源體積和減輕重量,開關(guān)電源工作頻率提高到100~500kHz,在此頻率范圍鐵氧體磁心的渦流損耗上升,在磁心損耗中居主要支配地位〖2〗,必須從化學成分和微觀結(jié)構(gòu)兩方面進行改進,提高材料電阻率。為此,開發(fā)的國產(chǎn)鐵氧體有R2KB1材料。相當?shù)膰獠牧嫌腥毡綯DK公司的PC40材料。
第四階段,90年代初期到中期,國內(nèi)外均著力開發(fā)適用于500kHz~1MHz開關(guān)頻率的新材料。典型的國產(chǎn)鐵氧體材料有R1.4K材料。相當?shù)膰獠牧嫌腥毡綯DK公司的PC50材料(上述材料技術(shù)指標見表1)。
關(guān)于供1MHz~3MHz開關(guān)電源用的新鐵氧體材料,目前國外尚處于研制階段。已取得成果的報導(dǎo)有荷蘭飛利浦公司的3F4材料,可使用到3MHz;日本富士公司的7H10材料,日本東北金屬公司的B40材料,可使用到2MHz。
3開關(guān)電源變壓器的設(shè)計應(yīng)用
圖1功率鐵氧體材料電磁特性
*在16kHz、150mT測量
開關(guān)電源變壓器的設(shè)計工作中,有關(guān)鐵氧體磁心的設(shè)計考慮如下參數(shù):
(1)材料性能因子開關(guān)電源變壓器的設(shè)計方法很多,但設(shè)計自由度受到如下限制:
1)磁心飽和限制;
2)磁心損耗限制;
3)調(diào)整度限制。
當我們設(shè)計高頻開關(guān)電源變壓器時,應(yīng)主要考慮磁心損耗限制。眾所周知,在高頻通密度下,磁心總損耗Pc由下式表示:
Pc=kfmBn(1)
式中,k—常數(shù);f—頻率;B—工作磁通密度;
n—指數(shù),對于功率鐵氧體材料,典型值為2.5;
m—指數(shù),在f=10~100kHz時,應(yīng)考慮渦流損耗,此時m=1.3,當頻率提高到100kHz上時,m要增大。
由上式可見,提高工作磁通密度,磁心損耗將以2.5次方增加,引起變壓器升溫;因此變壓器設(shè)計時,磁心損耗限制值也限定了最高工作磁通密度。同時,提高開關(guān)頻率,磁心損耗也要相應(yīng)增加。所以在進行變壓器設(shè)計時,磁心損耗200mW/cm3是一個適宜的限制值[3]。在規(guī)定的磁心損耗下,提高工作頻率,必須相應(yīng)降低工作磁通密度值。圖1示出飛利浦公司的三種鐵氧體材料,規(guī)定磁心損耗為200mW/cm3時磁感應(yīng)強度與頻率的關(guān)系曲線。對材料B、C來說,當開關(guān)頻率為100kHz時,可允許的工作磁通密度為100mT;當頻率提高到500kHz時,可允許的工作磁通密度將降低到50mT以下。改進鐵氧體材料(如采用A材料),可提高高額下允許的工作磁通密度極限。因此,Stijntjen[3]提出了一個新的設(shè)計參數(shù)—材料因子PF200,作為變壓器允許功率的設(shè)計限制因子。這里的PF200定義為磁心材料損耗為200mW/cm3時的工作頻率f和工作磁通密度的乘積。
圖1三種材料在200mV/cm3功耗值時磁感應(yīng)強度
圖2是幾種鐵氧體材料性能因子PF200與頻率的關(guān)系,圖中3C85、3F3、3F4均為MnZn鐵氧體,而4F1是NiZn鐵氧體?梢,當開關(guān)頻率提高到1MHz以上時,NiZn鐵氧體可能顯示出更為優(yōu)越的性能。
圖2功率鐵氧體材料性能因子
(2)磁心尺寸考慮眾所周知,磁心有效截面積和窗口面積將直接影響變壓器的傳輸功率。德國西門子公司列出了變壓器最大傳輸功率P的表達式:
P=Cf△BJFcuSaSe(2)
式中,C—與變換器工作方式有關(guān)的常數(shù),如推挽式C=1;單端正激式,C=0.71;單端反激式,C=0.61。
J——電流密度。Fcu——銅占因子。
Sa——窗口面積。Se——磁心有效載面積。
在西門子公司產(chǎn)品目錄中,已列出最大傳輸功率與磁心尺寸的關(guān)系曲線,圖3是一個實例。該圖表明100~200kHz工作頻率的單端正激型變換器,各種磁心尺寸與最大傳輸功率的關(guān)系。對一定尺寸的磁心來說,提高工作頻率,可相應(yīng)地提高傳輸功率。
如采用ETD39磁心,在100kHz時可傳輸功率400W,而200kHz時傳輸功率可提高到600W。
(3)磁心形狀考慮功率變壓器磁心形狀應(yīng)考慮大電流引出線及容易散熱,對高頻變壓器還應(yīng)考慮屏蔽,防止雜散磁場干擾。關(guān)于磁心損耗(Pc)與溫升的關(guān)系,可用下式表示:
Pc=△T/Rth(2)
式中,△T—磁心溫升;
Rth—熱阻。
降低熱阻可提高磁心的功率承受能力;而熱阻又近似地與磁心表面積成反比。因此在磁心形狀設(shè)計中加大背部或外翼尺寸,將它變寬變薄,使暴露的鐵氧體面積增大,可以降低熱阻。
早期,電源變壓器使用的磁心形狀為EE或EI形,這類磁心制造工藝簡單,成本較低,散熱好,便于大電流引出;缺點是方形中心柱,給線圈繞制帶來不便,F(xiàn)在,主要使用EC或ETD鐵氧體磁心,這類磁心中心柱改為園形,由于園形繞組線長比方形繞組縮短11%,從而降低了線圈銅損。為了適應(yīng)高頻電源變壓器的發(fā)展,最近國際標準已擴展了ETD磁心尺寸系列(由四種擴展為九種),具體尺寸為ETD19、24、29、34、39、44、49、54、59。一種新的PQ型磁心,因為背部面積較大,更有利于散熱,最近在電源變壓器方面已獲得應(yīng)用。此外,PM或RM型磁心,也可用于高頻變換器,因為這種磁心有良好的屏蔽和大的出線槽口,有人指出,EE42磁心雜散磁場要比RM型磁心高5倍。對高于1MHz的諧振式變壓器,為了使熱阻最小,需要一種具有最大暴露表面的扁薄形磁心形狀,已有報道采用LP23/8磁心〖4〗,制成最高工作頻率1MHz的低漏感的100W功率變壓器。
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