非晶材料在开关电源中的应用

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1、非晶材料在开关电源中的应用关键词：非晶变压器饱和电感尖峰抑制器材磁放大器开关电源　　开关电源中大量使用各种各样的磁性元件，如输入/输出共模电感、功率变压器、饱和电感以及各种差模电感。各种磁性元器件对磁性材料的要求各种相同。如差模电感希望μ值适中，但线性度好，不易饱和，共模电感则希望μ值要高，频带宽，功率变压器则希望μ值要适中，温度稳定好，剩磁小、损耗低等。在非晶材料出现以前，共模电感主要采用高μ值（6K~10K）Mn-Zn合金，差模电感多采用铁粉芯或开气隙铁氧体材料，变压器则采用铁氧体材料等。这些材

2、料应用技术成熟，种类也很丰富，并有各种各样的产品形状供选择，随着非晶材料的出现和技术不断成熟，在开关电源设计中，非晶材料表现出许多其主材料无法比拟的优点。表一：几种常用磁材基本性能比较材料名称钴基非铁基非MnZn铁纳米非晶铍莫合金晶晶氧体性能导磁率10KHz≥50000900004500230020000（10KHz）16000±100KHz1800045002300***μ30%饱和磁感应度Bs(T)1.350.531.560.510.80.5~0.9剩余磁感应强度Br(T)0.6Bs0.5Bs0

3、.65Bs0.2BsBs矫顽力HcA/m1.30.325.08.02.5功耗（25KHz，100Mt,100℃）35351714W/Kg居里温度Tc600210415215400（℃）密度g/cm37.47.77.184.98.7下面分几个方面分析非晶材料在开关电源中的应用：（一）非晶在功率变压器设计中的应用　　功率变压器的设计与选用的电路拓扑结构有关，双端电路和单端电路对磁材的要求是不相同的，双端电路对Br无特殊要求，而单端电路则希望值要低。众所周知B=μH=μNI由此可得：△B=μN△I　　从式

4、中可以看出，μ值过大时，若电路动态特性稍差，引起主变压器的初级电流增量△I较大，则易引起电路工作时的磁感应强度变量△B增大，磁芯易饱和，轻则电路敏感易保护，严重的可能烧毁功率功率开关管，从这一此考虑，希望μ的值低些，但μ值过低，变压器初级电感量也过低，变压器励磁电流也较大，效率降低，因此选择变压器磁芯时μ值过高或过低均不好。对功率变压器而网页P(1)言，其磁芯必须具备以下几个特点：①低损耗;②高的的饱和磁感应强度且温度系数要小;③宽工作温度范围④适当的μ值,且μ值随B值变化小;⑤与所选用功率器件开关

5、速度相应的频响本文以德国VAC公司VITOPERM500F铁基非晶产品和西门子N67系列磁材为例加以比较。μ-温度曲线B-H曲线f/B-损耗曲线损耗-温度曲线从以上图表可以看出两者有以下区别：1．相同工作频率（200KHZ以下），非晶材料损耗明显低于铁氧体90%---10%工作频率越低，工作B值越高，非晶材料优势越明显。但250KHZ以上频段，铁氧体损耗要明显低于非晶材料2．非晶材料损耗随温度变化量大大低于铁氧体，降低了变压器热设计的难度。3．非晶材料导磁率随温度变化量大大低于铁氧体，降低了变压器设

6、计的难度，提高了电源运行的稳定性和可靠性。4．非晶材料Bs*μ值是铁氧体的10―15倍，意味着变压器体积重量可以大幅减小。　　除此而外，非晶变压器具有较大的绕线空间，变压器绝缘处理更容易。机械强度较高。　　变压器设计这程中，最困难的是热设计，变压器的产热与多方面的因素有网页P(2)关，如磁芯损耗、铜损等。开关频率增加，变压器的发热呈指数增加。为实现开关电源的轻量化，大多数开关电源均采用铁氧体材料制作高频变压器磁芯，因此只能采用功率MOSFET作为开关器件，开关频率多在200KHZ以上，变压器的发热较

7、多。由于铁氧体的居里点较低，需对变形器磁芯作散热处理，变压器工艺制作较复杂。若散热处理不当，铁氧体磁材高温下易失磁，导致电路工作异常。若采用非晶做变压器，将工作△B由4000高斯提高到10000高斯，开关器件的工作频率则可以降到100KHz以下。在采用PWM在大功率应用领域如焊接电源，电镀/电解电源，非晶材料具有不可替代的优势，首先是受大功率器件电压/电流容量的限制，只能采用IGBT作开关器件，IGBT开关频率较低，多100KHz以下。除此以外，3KW以上容量的铁氧体磁芯体积较大，尺寸增大后其变形及

8、成品率低，生产工艺难度大，使用过程中磁芯内部也易形成较大的温度梯度，从而产生热应力，导致磁芯开裂等。非晶材料在16KHZ-----100KHZ频率范围内，损耗/Bs值最低，相应的变压器匝数及体积最小，发热量也较小。在采用软开关控制技术的前提下，可以充分发挥IGBT的低导通压降，和大电流、高耐压的优点，大幅度地提高电源的可靠性。　　以3KW开关电源为例，用N67材料，开关频率f=250KHz，MOSFET为开关管，变压器重量为：380g，而采用VAC500F材料，开关频