新的电源铁氧体磁心及其应用

2011-05-17 16:44:55来源: 互联网

1引言

当前高频开关电源已经在计算机、通信及广播电视等电子设备中得到了广泛应用,这种电源的主变压器及扼流圈等均使用软磁铁氧体磁心。软磁铁氧体材料的工业生产已有40多年历史,国内生产企业很多,个别企业已实现规模生产,产品质量已接近或达到国际水平。早期,软磁铁氧体主要制作弱磁场范围的电感器件,80年代以后,在大磁场下,应用的软磁铁氧体(主要是MnZn系列)产量不断增长。因此,80~90年代世界软磁铁氧体产量仍保持强劲发展的势头,应首先归功于高频电源铁氧体材料的开发和应用。据估计,目前功率铁氧体材料产量已占软磁铁氧体总量的50%左右(按重量计)。

随着电子设备的小型化和轻量化,要求电源也必须实现小型、薄形和轻量。提高开关频率是满足上述要求的最好方法;连带的问题是开发适用于更高工作频率的新型铁氧体材料。近年来,国内外主要铁氧体厂商致力于开发新的功率铁氧体材料〖1〗。国内已经开发出适用于开关频率为100~500kHz及500kHz~1MHz的新型铁氧体材料。此外,为适应高频开关电源变压器的设计,有人提出新的设计参数,开发了适合高频应用的小型化的新型磁心尺寸系列。所有这些工作,均为高频开关电源的发展铺平了道路。

2功率铁氧体材料的技术性能及发展动向

软磁铁氧体材料主要有MnZn、NiZn、MgZn系三大类。其中MnZn系铁氧体材料有高的磁导率和较高的饱和磁感应强度,在1MHz以下有低的磁损耗,所以更适合于大功率使用。目前,功率铁氧体材料主要应用于高压变压器(如电视机行输出变压器),开关电源变压器、扼流圈及其它变压器(如驱动变压器)等,上述应用对铁氧体材料主要电磁特性要求可归纳以下三点:

(1)饱和磁感应强度Bs要尽可能高;

(2)磁心功率损耗Pc在实际工作频率和工作温度范围(如60~100℃)要尽可能低;

(3)磁导率(通常指大磁场下振幅磁导率μa或交直流叠加下增量磁导率μ△)要适当地高。

附加的要求还有居里点要高(通常大于200℃)。对于工作频率高于100kHz的高频开关电源变压器,还要求材料电阻率高,以降低涡流损耗。

国内功率铁氧体材料应用和开发大致可分为四个阶段:

第一阶段,70年代到80年代中期。功率铁氧体材料主要用作黑白或彩色电视机的行输出变压器,其实际工作频率为15~100kHz,通常采用U形磁心,典型的国产铁氧体材料有R1.5K、R2KD等,相当的国外材料有日本TDK公司的H3T材料。

第二阶段,80年代初到中、后期。功率铁氧体材料在彩电和计算机开关电源中得到大量采用,其工作频率为20~100kHz,通常采用EE、EI、EC或ETD型磁心。典型的国产铁氧体材料有R2KBD。相当的国外材料有日本TDK公司的PC30材料。

第三阶段,80年代后期到90年代初期。为了缩小电源体积和减轻重量,开关电源工作频率提高到100~500kHz,在此频率范围铁氧体磁心的涡流损耗上升,在磁心损耗中居主要支配地位〖2〗,必须从化学成分和微观结构两方面进行改进,提高材料电阻率。为此,开发的国产铁氧体有R2KB1材料。相当的国外材料有日本TDK公司的PC40材料。

第四阶段,90年代初期到中期,国内外均着力开发适用于500kHz~1MHz开关频率的新材料。典型的国产铁氧体材料有R1.4K材料。相当的国外材料有日本TDK公司的PC50材料(上述材料技术指标见表1)。

关于供1MHz~3MHz开关电源用的新铁氧体材料,目前国外尚处于研制阶段。已取得成果的报导有荷兰飞利浦公司的3F4材料,可使用到3MHz;日本富士公司的7H10材料,日本东北金属公司的B40材料,可使用到2MHz。

3开关电源变压器的设计应用

图1功率铁氧体材料电磁特性

项目

中国898厂

日本TDK公司

R2KD

R2KBD

R2KB1

R1.4K

H3T

PC30

PC40

PC50

初始磁导率μi饱和磁通密度Bs(mT)剩磁Br(mT)矫顽力Hc(A/m)

250048012016

250051011712

23005109514.3

140048519035

190050019020

250051011714

23005109514.3

140047019035

磁心损耗Pc(mW/cm3)

 

165115155

600450410

1308090

 

13090100700500600

1208070600450410

1308080

25kHz200mT25℃60℃100℃100kHz200mT25℃60℃100℃500kHz50mT25℃60℃100℃

58*53*

居里点Qc(℃)

200

230

215

240

200

230

215

240

电阻率ρ(Ω·cm)

100

1000

650

 

30

1000

650

 

密度D(g/cm3)

4.8

4.8

4.8

4.8

4.8

4.8

4.8

4.8

*在16kHz、150mT测量

  开关电源变压器的设计工作中,有关铁氧体磁心的设计考虑如下参数:

(1)材料性能因子开关电源变压器的设计方法很多,但设计自由度受到如下限制:

1)磁心饱和限制;

2)磁心损耗限制;

3)调整度限制。

  当我们设计高频开关电源变压器时,应主要考虑磁心损耗限制。众所周知,在高频通密度下,磁心总损耗Pc由下式表示:

Pc=kfmBn(1)

式中,k—常数;f—频率;B—工作磁通密度;

  n—指数,对于功率铁氧体材料,典型值为2.5;

  m—指数,在f=10~100kHz时,应考虑涡流损耗,此时m=1.3,当频率提高到100kHz上时,m要增大。

  由上式可见,提高工作磁通密度,磁心损耗将以2.5次方增加,引起变压器升温;因此变压器设计时,磁心损耗限制值也限定了最高工作磁通密度。同时,提高开关频率,磁心损耗也要相应增加。所以在进行变压器设计时,磁心损耗200mW/cm3是一个适宜的限制值[3]。在规定的磁心损耗下,提高工作频率,必须相应降低工作磁通密度值。图1示出飞利浦公司的三种铁氧体材料,规定磁心损耗为200mW/cm3时磁感应强度与频率的关系曲线。对材料B、C来说,当开关频率为100kHz时,可允许的工作磁通密度为100mT;当频率提高到500kHz时,可允许的工作磁通密度将降低到50mT以下。改进铁氧体材料(如采用A材料),可提高高额下允许的工作磁通密度极限。因此,Stijntjen[3]提出了一个新的设计参数—材料因子PF200,作为变压器允许功率的设计限制因子。这里的PF200定义为磁心材料损耗为200mW/cm3时的工作频率f和工作磁通密度的乘积。

图1三种材料在200mV/cm3功耗值时磁感应强度

  图2是几种铁氧体材料性能因子PF200与频率的关系,图中3C85、3F3、3F4均为MnZn铁氧体,而4F1是NiZn铁氧体。可见,当开关频率提高到1MHz以上时,NiZn铁氧体可能显示出更为优越的性能。

图2功率铁氧体材料性能因子

(2)磁心尺寸考虑众所周知,磁心有效截面积和窗口面积将直接影响变压器的传输功率。德国西门子公司列出了变压器最大传输功率P的表达式:

  P=Cf△BJFcuSaSe(2)

式中,C—与变换器工作方式有关的常数,如推挽式C=1;单端正激式,C=0.71;单端反激式,C=0.61。

  J——电流密度。Fcu——铜占因子。

  Sa——窗口面积。Se——磁心有效载面积。

  在西门子公司产品目录中,已列出最大传输功率与磁心尺寸的关系曲线,图3是一个实例。该图表明100~200kHz工作频率的单端正激型变换器,各种磁心尺寸与最大传输功率的关系。对一定尺寸的磁心来说,提高工作频率,可相应地提高传输功率。

 

如采用ETD39磁心,在100kHz时可传输功率400W,而200kHz时传输功率可提高到600W。

(3)磁心形状考虑功率变压器磁心形状应考虑大电流引出线及容易散热,对高频变压器还应考虑屏蔽,防止杂散磁场干扰。关于磁心损耗(Pc)与温升的关系,可用下式表示:

  Pc=△T/Rth(2)

式中,△T—磁心温升;

Rth—热阻。

    降低热阻可提高磁心的功率承受能力;而热阻又近似地与磁心表面积成反比。因此在磁心形状设计中加大背部或外翼尺寸,将它变宽变薄,使暴露的铁氧体面积增大,可以降低热阻。

    早期,电源变压器使用的磁心形状为EE或EI形,这类磁心制造工艺简单,成本较低,散热好,便于大电流引出;缺点是方形中心柱,给线圈绕制带来不便。现在,主要使用EC或ETD铁氧体磁心,这类磁心中心柱改为园形,由于园形绕组线长比方形绕组缩短11%,从而降低了线圈铜损。为了适应高频电源变压器的发展,最近国际标准已扩展了ETD磁心尺寸系列(由四种扩展为九种),具体尺寸为ETD19、24、29、34、39、44、49、54、59。一种新的PQ型磁心,因为背部面积较大,更有利于散热,最近在电源变压器方面已获得应用。此外,PM或RM型磁心,也可用于高频变换器,因为这种磁心有良好的屏蔽和大的出线槽口,有人指出,EE42磁心杂散磁场要比RM型磁心高5倍。对高于1MHz的谐振式变压器,为了使热阻最小,需要一种具有最大暴露表面的扁薄形磁心形状,已有报道采用LP23/8磁心〖4〗,制成最高工作频率1MHz的低漏感的100W功率变压器。

关键字:应用

编辑:神话 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/mndz/2011/0517/article_8670.html
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