变压器、电感器的磁性材料介绍与选用原则

2020-01-02李文海

科技与创新 2019年24期

李文海

变压器、电感器的磁性材料介绍与选用原则

李文海

（厦门柏恩氏电子有限公司，福建厦门 361000）

20世纪70年代以来，中国的计算机、电子科技、智能化领域进行了强化与发展，研制出了众多具有先进水平的设备和零部件，其中以非晶态软磁合金为重要的研究代表。分析了变压器、电感器的磁性材料特性，并说明了常用软磁磁芯的特点及应用，得出了变压器、电感器磁性材料的选用原则，望为同行提供参考。

软磁材料；磁性能；典型应用；选用原则

1 软磁材料的主要特性

1.1 软磁材料的B-H曲线

软磁材料主要的组成物有铁粉、合金粉、锰锌或镍锌氧化物。软磁材料在外力磁场（）中会产生与之相关的磁感应强度（），磁感应强度（）随着外力磁场（）自身的变化而不断变化，产生相应的变化曲线为-曲线。

值得注意的是，磁化曲线是非线性的闭合曲线，会呈现出磁饱和及磁滞两种不同的情况。软磁材料不同，磁化曲线也不同，其值也不相同。但软磁材料不变，其值也是不变的。

-曲线如图1所示。

图1 B-H曲线

1.2 软磁材料的磁性能

饱和磁感应强度：磁化到饱和状态时的磁通密度或磁感应强度。

剩余磁感应强度：从饱和状态去除磁场强度后，剩余的磁感应强度（回到0时的值）。

矫顽力：软磁材料自身的成分与优劣对于材料磁化的影响，主要表现为被磁化的难易程度。

磁导率：在磁滞回线上与一一对应的数值（/）。

有效磁导率e：在实际的闭合磁路中，或多或少存在气隙，若气隙很小，则可用有效磁导率来表示磁芯的导磁能力。

居里温度：在该温度下，材料由铁磁质转化为顺磁质。能够以此为依据判断磁性器件工作过程中的温度临界点，详细情况如图2所示。

图2 Tc图

注：随温度升高，磁导率下降到最大值的80%、20%时，这两点联线，延长到与温度轴的交点，即为居里温度。磁芯损耗包括磁滞损耗和涡流损耗，是衡量功率磁性材料重要特性。

2 常用软磁磁芯的特点及应用

2.1 磁粉芯（Powder）

磁粉芯是由铁磁性粉粒和绝缘材料以一定的比例混合、压制、烧结而成的软磁材料。其内部均匀分布有气隙，能够在使用过程中避免出现涡流效应，具有良好的隔绝功能，材料能够在高频率环境下使用，主要应用于高频电感，具备良好的工作状态和性能。

依据不同的磁性粉料材料，分为铁粉芯、高磁通磁粉芯、铁硅铝磁粉芯、铁镍钼磁粉芯等。

2.1.1 铁粉芯（Iron Powder）

铁粉芯由碳基铁磁粉、树脂碳基铁磁粉等构成。在价格上具有一定的优势，性价比较高。具有高饱和磁感应强度，通常可以达到0.5～1.4 T，磁导率范围为4～100，适用温度为﹣55 ℃～125 ℃，功率损耗800 MW/cm3，铁粉具有高居里温度并能工作于几百摄氏度，但是温度超过125 ℃时连续使用，会导致电感量永久下降和磁芯高频损耗永久增加。

基于以上的特点，铁粉心被广泛地用于开关电源输出电感、在线噪声滤波器、PFC电感、扰流圈、EMI/RFI用途。铁粉芯作为一种软磁材料被广泛地应用于通信、电子、仪器仪表、家电等领域。

2.1.2 铁硅铝磁粉芯（Super-MSS）

铁硅铝磁粉芯是一种改进型的铁硅铝材料，由85%铁、9%硅、6%铝合金粉组成，是由阿诺德公司首先开发出来的，用来代替铁粉芯，磁芯损耗更低（200 MW/cm3），而且其能量贮存能力比铁镍钼磁粉芯还要高，Super-MSS铁硅铝磁粉芯在滤波电感器用磁芯上具有较强的优势地位。铁硅铝磁粉芯在相同的工作环境下与其他的设备和零部件相比，具有更好的温升效果，能够保证工作稳定、高效。

2.1.3 高磁通磁粉芯（Hi-Flux）

HF的基本构成为50%镍、50%铁，自身的饱和磁感应强度值为1.5 T，最大磁导率为160，最小磁导率为14。自身的磁感强度在众多粉末磁芯中具有较大的优势，在工作过程中的损耗较少（260 MW/cm3）。

在实际应用过程中主要范围是开关电源调制电感器、线路噪音滤波器、脉冲变压器和回扫变压器磁芯。尤其是在大直流电流环境中，能有效降低电感器尺寸，缩小设备使用和运行的整体成本。

2.1.4 铁镍钼磁粉芯（MPP）

MPP磁粉芯的Q值最高，磁芯损耗最低（120 MW/cm3）。在相同的工作环境下与其他的设备和零部件相比具有更好的温升效果，能够保证工作进程中的稳定和高效。但此材料价格高，主要应用于汽车、医疗设备、测试仪器等高附加价值的电子产品。

2.2 软磁铁氧体（Ferrites）

软磁铁氧体是由氧化物组成的均匀陶瓷材料，其中铁氧化物是主要的成分，主要有Mn-Zn和Ni-Zn两大类。Mn-Zn和Ni-Zn两类铁氧体材料彼此互补，最大的不同是Mn-Zn具有较高的磁导率，而Ni-Zn具有较高的电阻率。

Mn-Zn铁氧体由Fe2O3、ZnO、Mn3O4组成，一般在20～1 000 kHz频率范围使用。功率磁材Mn-Zn铁氧体初始磁导率范围为1 330～3 300，电阻率为4～10 Ω·m。高导滤波Mn-Zn铁氧体初始磁导率范围为5 000～15 000，电阻率一般小于1 Ω·m。Mn-Zn铁氧体材料主要用于车载DC-DC转换器、笔记本适配器、各种开关电源变压器、LCD背光源逆变器。

Ni-Zn铁氧体由Fe2O3、ZnO、NiO 、CuO组成，具有高电阻率，约为105 Ω·m，初始磁导率范围为50～1 000，工作频率范围为1兆赫兹到几百兆赫兹。该材料主要用于各种电子设备、抗EMI用电感器、点火线圈、直流叠加要求高的场合及扼流圈。

2.3 带绕铁芯

2.3.1 硅钢片铁芯

硅钢片指在纯铁中添加3%左右的硅，进而形成的铁硅系合金。自身的饱和磁感应强度值为1.8 T，居里温度可以达到750 ℃，自身的磁感强度在众多粉末磁芯中具有较强的优势，在工作过程中的损耗较少。在实践中主要应用于冷轧硅钢薄板、冷轧无取向或取向电工钢带。

在应用中需要注意充分考虑硅钢片使用成本和性能问题，纯铁主要应用于电机、继电器和电抗器；取向或无取向冷轧硅钢片主要应用于大功率电机和大功率变压器及对可靠性要求较高的军工产品。

2.3.2 坡莫合金

坡莫合金指铁-镍合金，镍含量为79%不等，铁含量约17%，钼含量约4%。通过在氢气中的高温退火改善坡莫合金的性能，或利用晶料取向改善。此种方式可以获得更高的磁导率、更低的矫顽力、大致相同的饱和磁感应强度。饱和磁感应强度最小为0.66 T，最大为0.82 T。初始磁导率为 12 000～100 000，居里温度为460 ℃。

2.3.3 非晶软磁合金

非晶软磁合金俗称金属玻璃，采用超急冷凝固技术，使得从钢液到薄带成品一次成型，省略了中间烦琐的工艺内容，降低了工艺作业的复杂性，是冶金领域中的一次革新与突破。

在整个生产过程中，熔化的金属合金以105 ℃/s数量级的速度冷却，通过快速冷却的温度发生结晶过程，形成原子不规则排列、不存在周期性和晶粒晶界的非晶态结构。此材料的优点是在高频应用中具有高磁感强度、高磁导率和低磁芯损耗。

3 各软磁磁材的磁性能比较

各软磁磁材的磁性能比较汇总如表1所示。

4 各软磁磁芯对应工作频率与典型应用

各软磁磁芯对应工作频率与典型应用如图3所示。

5 结论

磁性材料是磁性原器件的磁路通道，是磁性原器件的最重要的材料之一。可以说，没有磁材就谈不上磁性原器件。磁性材料种类多，不同材料有不同的使用场合。

正确深入理解各种磁性材料的特点以及性能是正确设计磁性原器件的前提，也是设计出高性价比磁性原器件的必要条件。

表1 各软磁磁材的磁性能比较汇总

软磁材料名称成分初始磁导率μi磁通密度Bs/T居里温度Tc/℃矫顽力Hc/Oe密度/（g/cm3）铁粉芯100%Fe4～1000.5～1.47705.0～9.03.3～7.2 铁硅铝磁粉芯85%Fe、9%Si、6%Al26～12517400.56.15 高磁通磁粉芯50%Ni、50%Fe14～1601.5360180 铁镍钼磁粉芯80%Ni、20%Fe14～5500.74500.38.5 Mn-Zn软磁铁氧体（功率材料）Fe2O3、ZnO、Mn3O41 330～3 3000.48～0.60≥ 2200.13～0.344.85 Mn-Zn软磁铁氧体（高导材料）Fe2O3、ZnO、Mn3O45 000～15 0000.38～0.46≥ 1200.04～0.104.9 Ni-Zn软磁铁氧体Fe2O3、ZnO、NiO、CuO50～1 0000.29～0.44≥ 1300.13～0.345.2 硅钢3%Si、70%Fe1 5001.5～1.87500.4～0.67.63 坡莫合金79%Ni、17%Fe、4%Mo12 000～100 0000.66～0.824600.02～0.048.73 非晶软磁合金73.5%Fe、1%Cu、15.5%SI30 000～80 0001.0～1.24600.02～0.047.73