软磁铁氧体材料-在电子变压器-中的应用（一）[转载]

张继松（中国西南应用磁学研究所，四川绵阳621000）

介绍软磁铁氧体材料的种类及性能和在电子变压器中的应用，对其发展方向也进行了简要描述。

1前言
　　软磁铁氧材料作为一种功能材料已在国民经济的各个领域得到广泛的应用。随着信息产业、数字技术及光纤通信技术等的发展，软磁铁氧体的应用领域还在不断扩展，几乎覆盖了已有的各种频段的整机、设备分机和元器件，与人们的日常生活息息相关。
　　软磁铁氧体材料的发明与实用化，至今已有半个世纪。由于它具有高磁导率、高电阻率、低损耗及陶瓷的耐磨性，因而用软磁铁氧体材料制作的偏转线圈、回扫变压器、旋转变压器、中周变压器、脉冲变压器、开关电源、滤波器、扼流圈、电感器、抗电磁干扰变压器、电子镇流器等（广义称为电子变压器）在计算机、微型手机、通信、办公自动化、显示器、远程监控、彩色电视接收机、视听装置、家用电器、电磁兼容 class="wz_rc">电磁兼容、绿色照明、环保节能及电子信息中起着滤波、阻抗变换、能量储存及能量转换等作用，得到广泛的应用。
　　电子变压器是应用软磁铁氧体材料的一种主要电子元器件。由于电子变压器在上述仪器、设备中所起的作用不同，所选用的电子电路不同，对磁性材料参数及磁芯形状和尺寸的要求亦不同，从而促使软磁材料生产厂家开发和生产能满足不同电子变压器所需性能的软磁材料及不同形状和尺寸的软磁磁芯。
2软磁铁氧体材料
　　软磁铁氧体材料按成份可分为MnZn、NiZn、MnMgZn等尖晶石型和平面型六角晶系两类。从应用角度看，又可分为高磁导率（高μ）、高饱和磁通密度（Bs）及高频大功率（功率铁氧体）等几大类。
2.1MnZn铁氧体材料
2.1.1功率铁氧体材料
　　功率铁氧体材料主要应用于开关电源的主变压器。它要求软磁铁氧体材料具有高饱和磁通密度（Bs）和高振幅磁导率(μa)以提高功率转换效率并避免饱和；要求材料的功率损耗（PO）尽量小，希望呈负温度系数，以避免变压器在高频下发热，为了在高温下保持高的Bs值、材料的居里温度（θt）应较高，要求在高磁通密度下（B=20mT）、高温下（80℃～100℃）和高频下（20kHz～50kHz），有低的功率损耗。功率损耗从理论上分为磁滞损耗、涡流损耗和剩余损耗，根据其对频率的依赖性不同来区分，涡流损耗的大小与电阻率的倒数成正比。高电阻率是功率铁氧体最重要的性能，它是通过加入适量的添加剂来获得的。随着高频开关电源的工作频率发展到0.5MHz～1MHz，相应功率的铁氧体材料也已商品化、在80℃～100℃、500kHz、50mT下，磁芯损耗为80kW/m3～100kW/m3。专家们预测，未来开关电源的频率将达到1MHz或更高频率，那么，功率铁氧体将需开发工作频率为100kHz～300kHz、200mT、100℃时磁芯损耗为150kW/m3左右的材料。据资料报道，日本已开发出Pcv=199kW/m3(100kHz、200mT、80℃下)的低功耗材料。目前，世界上具有代表性的产品是日本TDK公司的PC30、PC40、PC44、PC50材料。
2.1.2高磁导率MnZn铁氧体
　　低宽频带变压器、小型脉冲变压器、电源滤波器等使用频率为数十赫至0.5兆赫的远程通信仪器，电磁兼容需要高磁导率MnZn铁氧体材料。一般要求μI=5000～12000，居里温度TC≥120℃，比损耗系数tgδ/μI=7～15×106(f=100kHz)，温度系数=0.5～1.5×10－6/℃，并要求随使用频率增加而磁导率的衰减慢，使μi～f曲线在较宽频带内保持平直，具有高的截止频率。目前世界上具有代表性的高μ1产品是日本TDK公司的H5C2、H5D、H5E、飞利浦的3E5、西门子的T38、大通公司的TL13等。日本TDK公司的H5E的μ1已达到18000，预计到2002年将提高到25000左右。
2.2NiZn系铁氧体
　　NiZn系铁氧体的高频特性好（高P、低损耗角正切tgδ、低磁导率的温度系数），适用于制造各种电感器、中周变压器、滤波线圈、扼流圈等，在广播电视、传呼机、射频通讯、抗电磁干扰等领域得到广泛的应用，其磁导率在1500以下变化，使用频率范围为1MHz～100MHz。由于NiZn铁氧体具有较宽的频率带宽和较低的传输损耗，用它制成的器件可完成阻抗变换和能量传输功能。低烧结温度的NiCuZn铁氧体，具有高的电阻率，在高频下具有良好的磁特性，可用于制造片式电感器。
2.3MgZn、MgMnZn系铁氧体
　　MgZn、MgMnZn系铁氧体材料具有良好的高频特性，不需战略物质镍，成本低，在民用产品方面可部分替代NiZn系材料。高电阻率(ρ=106Ωcm～108Ωcm)的MgZn、MgMnZn系铁氧体材料用作电视机显像管偏转磁芯，能提高电视机、显示器的电气绝缘特性，能使彩色显示器避免高压击穿，提高其行扫描频率。
3软磁铁氧体在电子变压器中的应用
　　电子变压器是指用在电子线路和控制电路中、起着电磁能量转换、隔离和阻抗匹配的一种变压器。软磁铁氧体材料是电子变压器中的一种核心材料。电子变压器对软磁材料的要求是：（1）工作可靠，可以适应环境条件的变化，磁性能稳定，不随时间的增长而变化；（2）磁性能满足工作要求；（3）成本低，性价比高；（4）可批量生产。
　　在电子变压器设计中，应正确选用软磁材料和合理利用软磁材料的磁性参数来满足不同类型、不同尺寸、不同工艺要求的电子变压器的要求，以利充分发挥磁性材料的作用，设计和制造出性价比优越的电子变压器。
3.1开关电源变压器
　　开关电源变压器是开关形式电源 class="wz_rc">稳压电源中使用的一种电子变压器，由于它工作在高功率、高磁通密度条件下，所以通常选用磁导率为1500～2500的锰锌铁氧体材料，在选用磁性参数时主要应该考虑饱和磁感应强度Bs、高磁通密度下的功率损耗、高频工作状态下的功率损耗及高温下的功率损耗等。通常要求饱和磁感应强度≥510mT。由于开关电源变压器的工作频率一般在20kHz～500kHz下且在矩形波状态下的频率，通常要求功率损耗是3倍～5倍的开关频率下的功率损耗，在100kHz条件下，功率损耗≤700kW/m3，在80℃时为最小值。随着开关电源小型化和工作频率的提高，由于涡流损耗PC∞f2（频率），因而降低涡流损耗对高频电源变压器尤为重要，当工作频率达到200kHz～500kHz时，涡流损耗常常占支配地位，从而要求铁氧体材料的电阻率要高。据最近报道，采用细晶粒铁氧体材料可成功地减小涡流损耗。开关电源变压器常采用EC型磁芯。由于EC型磁芯的中心柱为圆形截面，它与中心柱为方形截面的EE型磁芯相比，在相同的绕线截面积下，其绕线长度最小，故铜损小，制成的电子变压器的漏感也低，采用EC型磁芯制作开关电源变压器时绕制线圈简单，抗电强度高。
　　近年来，对开关电源变压器高频工作时的铁损、铜损、温升及电感进行分析后，研制出PQ型磁芯，现已进入实用阶段。小型化、超薄型、贴片式的开关电源变压器采用EPC型磁芯，这种开关电源变压器主要用在移动通讯手机充电器和笔记本电脑等小型电子设备中。
3.2回扫变压器
　　彩色电视机和监视器用的回扫变压器正向大屏幕和高清晰度及高分辨率方向发展，其产品具有较好的波束直线性，能在高压、高功率条件下工作。回扫变压器主要使用功率铁氧体材料，一般要求材料宽频低功耗，饱和磁通密度高及直流迭加特性优良，工作在16kHz～100kHz频率范围。回扫变压器目前采用U型磁芯，可充分利用其形状来达到散热效果。同时保证其在高电压状态下的安全性。由于轻、薄、节能又无辐射的液晶显示器和等离子体显示器近年来发展迅速，有可能在将来逐渐取代CRT，这意味着回扫变压器用U型磁芯可能逐渐被淘汰。
3.3脉冲变压器
　　脉冲变压器主要用在低功耗、小信号的电路中，对其要求是转换效率高、失真度低、体积小。为了达到这些要求，脉冲变压器常采用高磁导率锰锌铁氧体材料，要求材料磁导率μi高（7000～15000）并要求要较高的Q值。脉冲变压器通常采用EP型磁芯，这类磁芯的引线非常方便，且具有屏蔽效果，能满足脉冲变压器的小型化。为适应电信设备小型化的需要，日本、中国以及我国台湾和香港等地区的众多厂商正积极开发和生产小尺寸和表面安装式脉冲变压器，其体积较原有脉冲变压器小1/3，生产率提高15％～40％；在表面安装化的同时，脉冲变压器也在向高性能化方向发展，用于不对称数字用户线（ADSL）和高比特数字用户线（HDSL）的脉冲变压器已成上升趋势。
3.4音频变压器
　　音频变压器是一种技术成熟的产品，由于铁氧体磁芯具有低成本、小尺寸等优点，所以在音频变压器中常采用EI型和环型磁芯，而用环型磁芯制作的变压器较用EI型磁芯制作的变压器性能好，尽管环型磁芯变压器较EI型磁芯变压器价格高，但音频设备制造商能承受这种价格，故环型磁芯变压器的需求增长较快。
3.5振荡变压器