0 引言
微晶磁芯具有較高的飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度(1.1～1.2T),高磁導(dǎo)率,低矯頑力,低損耗及良好的穩(wěn)定性、耐磨性、耐蝕性,同時(shí)具有較低的價(jià)格,在所有的金屬軟磁材料芯中具有最佳的性價(jià)比。用于制作微晶鐵芯的材料被譽(yù)為"綠色材料"，廣泛應(yīng)用于取代硅鋼,坡莫合金及鐵氧體,作為各種形式的高頻(20～100kHz)開關(guān)電源中的大中小功率的主變壓器、控制變壓器、波電感、儲能電感、電抗器、磁放大器、飽和電抗器磁芯、EMC濾波器共模電感和差模電感磁芯、IDSN微型隔離變壓器磁芯，也廣泛應(yīng)用于各種類同精度的互感器磁芯。
1 超微晶磁芯的主要特點(diǎn)
VITROPERM500F鐵基超微晶磁芯具有以下特點(diǎn)：
1）極高的初始磁導(dǎo)率，μ=30000～80000，且磁導(dǎo)率隨磁通密度和溫度的變化非常小；
2）磁芯損耗極低，并且在－40～＋120℃范圍內(nèi)不隨溫度而變化；
3）非常高的飽和磁通密度（BS=1.2T），允許選擇較低的開關(guān)頻率，能降低開關(guān)電源及EMI濾波器的成本；
4）磁芯采用環(huán)氧樹脂封裝，機(jī)械強(qiáng)度高，無磁滯伸縮現(xiàn)象，能承受強(qiáng)振動(dòng)；
5）可取代傳統(tǒng)的鐵氧體磁芯以減小開關(guān)電源的體積，提高可靠性。
超微晶磁芯的型號很多，所傳輸?shù)墓β士蓮?0W到11kW。幾種常用磁性材料的性能比較見表1。
表1 幾種常用磁性材料的性能比較
2 超微晶磁芯在開關(guān)電源中的應(yīng)用
2.1 超微晶磁芯材料在高頻變壓器中的應(yīng)用
目前，高頻變壓器一般選用鐵氧體磁芯。VITROPERM500F鐵基超微晶磁芯與德國西門子公司生產(chǎn)的N67系列鐵氧體磁芯的性能比較，如圖1所示。圖1（a）為磁導(dǎo)率的相對變化率與溫度的關(guān)系曲線；圖1（b）為磁感應(yīng)強(qiáng)度（B）與矯頑力（H）的關(guān)系曲線；圖1（c）則為損耗溫度曲線。由圖1（a）可見，超微晶磁芯的磁導(dǎo)率隨溫度的變化量遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于鐵氧體磁芯，可提高開關(guān)電源的穩(wěn)定性和可靠性。由圖1（b）可見，超微晶磁芯的μB乘積比鐵氧體磁芯高許多倍，這意味著可大大減小高頻變壓器的體積及重量。由圖1（c）可見，當(dāng)溫度發(fā)生變化時(shí)，超微晶磁芯的損耗遠(yuǎn)低于鐵氧體磁芯。此外，鐵氧體磁芯的居里點(diǎn)溫度較低，在高溫下容易退磁。若采用超微晶磁芯制作變壓器，即可將工作時(shí)的磁感應(yīng)強(qiáng)度變化量從0.4T提高到1.0T，使功率開關(guān)管的工作頻率降低到100kHz以下。
（a）μ－t曲線
（b）B－H曲線
（c）損耗－溫度曲線
圖1 微晶磁芯與鐵氧體磁芯的性能比較
2.2 超微晶磁芯在共模電感中的應(yīng)用
采用超微晶磁芯制作共模電感（亦稱共模扼流圈）時(shí)，只須繞很少的匝數(shù)，即可獲得很大的電感量，從而降低了銅損，節(jié)省了線材，減小了共模電感的體積。用超微晶磁芯制成的共模電感具有很高的共模插入損耗，能在很寬的頻率范圍內(nèi)對共模干擾起到抑制作用，因而不需要使用復(fù)雜的濾波電路。分別用鐵氧體磁芯、超微晶磁芯制成共模電感，二者的外形比較如圖2所示。
圖2 兩種共模電感的外形比較
2.3 超微晶磁芯在EMI濾波器中的應(yīng)用
由VAC公司生產(chǎn)的鈷基超微晶磁芯VITROVAC6025Z，可廣泛用于開關(guān)電源的EMI濾波器中，能有效地抑制由電流快速變化所產(chǎn)生的尖峰電壓。在超微晶磁芯上繞一圈或幾圈銅線，即可制成一個(gè)尖峰抑制器，其構(gòu)造非常簡單，而對噪聲干擾的抑制效果非常好。VITROVAC6025Z超微晶磁芯具有極低的磁芯損耗和很高的矩形比，當(dāng)電流突變?yōu)榱銜r(shí)呈現(xiàn)出很大的電感量，能對整流管的反向電流起到阻礙作用。由尖峰抑制器構(gòu)成EMI濾波器的電路如圖3所示。D1為輸出整流管，D2為續(xù)流二極管。在D1、D2上分別串聯(lián)一個(gè)尖峰抑制器。L為儲能電感，C為濾波電容。不加尖峰抑制器時(shí)通過整流管的電流波形如圖4（a）所示，IF、IR分別代表整流管的正向工作電流和反向工作電流，trr代表反向恢復(fù)時(shí)間。由圖4可見，整流管在反向工作區(qū)域會(huì)產(chǎn)生尖峰電流，而接入尖峰抑制器后，尖峰電流就被抑制了。
圖3 由尖峰抑制器構(gòu)成EMI濾波器的電路
（a）不加尖峰抑制器 （b）加尖峰抑制器
圖4 兩種情況下通過整流管電流波形的比較
尖峰抑制器典型的磁滯回線如圖5所示，在到達(dá)工作點(diǎn)1之前（電流導(dǎo)通時(shí)），磁芯處于飽和狀態(tài)，具有非常低的電感量；當(dāng)電流關(guān)斷時(shí)到達(dá)工作點(diǎn)2（亦稱剩磁點(diǎn)）時(shí)，由于整流管存在反向恢復(fù)時(shí)間，使得電流繼續(xù)沿著負(fù)的方向減小，但?微晶磁芯具有非常高的磁導(dǎo)率，這時(shí)會(huì)呈現(xiàn)很大的電感量，所以它就不經(jīng)過理論工作點(diǎn)3（該點(diǎn)本應(yīng)對應(yīng)于出現(xiàn)反向尖峰電流IR的時(shí)刻），而是直接到達(dá)工作點(diǎn)4（即反向剩磁點(diǎn)），然后又被磁化開始另一循環(huán)。這種抑制整流管尖峰電流的特性被稱之為“軟恢復(fù)”。圖5中的IFe為激勵(lì)電流。
圖5 尖峰抑制器的磁滯回線
下面介紹設(shè)計(jì)尖峰抑制器的公式。若令整流管的反向恢復(fù)時(shí)間為trr（單位取s），反向電壓為UR（V），通過整流管的電流為IF（A），則尖峰抑制器必須滿足下述條件。
Φ· S≥1.5trrURIF(1)
式中：Φ為磁通；
S為磁芯的繞線面積。
計(jì)算銅導(dǎo)線線徑的公式為
（2）
所須繞制的匝數(shù)為
N>πtrrUR／Φ（3）
3 結(jié)語
隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展和成熟，人們逐漸認(rèn)識到磁性元件不僅是電源中的功能元件，同時(shí)其體積、重量、損耗在整機(jī)中也占相當(dāng)比例。據(jù)統(tǒng)計(jì)，磁性元件的重量一般是變換器總重量的30％～40％，體積占總體積的20％～30％，對于模塊化設(shè)計(jì)的高頻電源，磁性元件的體積、重量所占的比例還會(huì)更高。另外，磁性元件還是影響電源輸出動(dòng)態(tài)性能和輸出紋波的一個(gè)重要因素。因此，要提高電源的功率密度、效率和輸出品質(zhì)，就應(yīng)對減小磁性元件的體積、重量及損耗的相關(guān)技術(shù)進(jìn)行深入研究，以滿足電源發(fā)展的需要。我們有理由相信，微晶磁芯在開關(guān)電源中將有非常寬闊的應(yīng)用前景。