试论电子变压器磁芯材料选材依据

　　在电子技术的不断发展中，电子变压器作为基础电子材料的软磁材料，尤其是铁氧体软磁材料也得到了极大的发展，而且根据其具体的应用分化出多种子类，这就给电子变压器电路设计工程师的选材带来了困扰。为此下面文章主要从软磁材料的基本特性出发，针对不同的应用场合，结合多年的工作实践心得，针对金属磁粉心尤其是软磁铁氧体材料选型给出了一些建议。

　　关键词：电子变压器,磁心,软磁材料,选材

　　1引言

　　软磁材料门类很多，软磁铁氧体是其中重要的成员,软磁材料又可分为金属和铁氧体软磁两个大的门类。作为功率电感或主变压器磁心，金属软磁多用在50kHz以下，而在50kHz以上的电子变压器中，多用软磁铁氧体磁心。由于铁氧体软磁自身高频损耗很低，在200kHz以上高频场合，电子变压器选材基本上全是铁氧体软磁，随着技术的进步，有些软磁铁氧体的应用频率可达数MHz以上。软磁铁氧体种类繁多，性能各有侧重，在不同场合下，对它们的选型使用，是发挥其优势性能的关键。

　　2选材依据：金属磁粉心与软磁铁氧体体电阻率的对比

　　在20～200kHz频率范围内，金属磁粉心和软磁铁氧体磁心有一定的重叠应用区域，有必要对它们的主要特点进行一些对比。金属磁粉心颗粒较粗，颗粒间的绝缘是靠树脂等包覆层来实现的，而铁氧体材料PC44磁心晶粒之间的绝缘是靠高阻的玻璃态晶界，这个高阻的晶界是在高温烧结情况下通过固相反应形成的。MnZn功率铁氧体的体电阻率一般在1～20Ω·m之间，而NiZn铁氧体的体电阻率一般在105Ω·m以上。在高频下铁氧体软磁的损耗要比金属磁粉心小得多，MnZn铁氧体是电子变压器最常用的磁心材质。

　　所以在50kHz以上，功率铁氧体自身的高频损耗明显低于磁粉心，但功耗不是电子变压器选材的唯一标准，还有饱和磁通密度Bs与抗直流叠加能力等。金属磁粉心的Bs值，如铁硅材料，一般可达1T左右，远高于MnZn铁氧体材料。对某些应用，磁心损耗变得不那么重要，而Bs和直流叠加特性才是首先要考虑的。即不同的应用材料选型着重点是不一样的。

　　3选材依据：磁心工作状态3.1磁心工作在B-H回线的第一象限

　　在200W以下场合，应用非常广泛的反激式拓扑的电源，这种拓扑不需要输出滤波功率电感，开关管关断电压应力也容易处理，加上成本较低，在中国、欧盟等220V市电电压的区域市场广泛应用。先来看断续电流工作状态下的反激式变压器。主变压器磁心磁通工作在Bm和Br之间，磁心置位复位所包围的回线面积仅为整条B-H回线在第一象限中的一部分，相比于工作在整条磁滞回线上而言，这种情形下磁心的铁损只有30%～40%。

　　如某款功率磁心在频率f=100kHz,在Bm=200mT的高频交流电流激励下，100℃的Pcv为450kW/m3，那么在同样频率下，工作在B-H回线第一象限，磁心的Pcv则不大于168kW/m3。这种应用情形下，在选材时，磁心的损耗要求固然重要，而对磁心的直流叠加特性要求也同样重要，功耗和叠加指标都要关注。因为工作在B-H形和对应的磁滞回线工作区间。

　　在开关管导通阶段，原边线圈中电流斜坡上升，磁心从+Br被激励到最大工作磁密+Bm，磁心被磁置位;当开关管关断时，原边电流关断，副边产生反激电流，即图中上方的三角波，从峰值沿斜坡下降，将储存的磁场能转化为电能传给负载，磁心中的磁密从+Bm下降到+Br，磁心被磁复位。回线第一象限，磁心中的直流偏磁场也是比较大的。我们再来分析一下对直流叠加要求更高的场合，工作在电流连续模式下的反激式变压器，它的原边和副边的工作电流与电流断续模式不同，电流没有过0点。

　　这种情况下直流分量要远大于电流断续模式。磁心的抗直流叠加能力一定要强，为避免直流饱和，要开合适的气隙。工作在这种状态下的磁心损耗很小，这时磁心根本不退磁到Br，而是在Bm1和Bm2之间来回激磁退磁，所以磁通摆幅ΔB=Bm2-Bm1很小，而直流偏磁场却很大。直流磁场不会在磁心中产生铁损，磁心的铁损与磁密摆幅ΔB的关系则很大，以风华磁材的PG242(相当于TDK的PC44)为例，其铁损Pcv=f1.87B2.78，即磁心的铁损是与磁密摆幅ΔB的2.78次方成正比的，磁密摆幅ΔB减小，铁损会大幅减小。

　　无论是磁粉心还是铁氧体，只有交流成分才会使磁心产生铁损，直流成分不会在磁心中产生铁损。这种情况下，磁心材质的选择应优先考虑材料直流叠加特性，而将磁心铁损降到第二位。这时，适合选择高Bs的抗直流叠加材料，如TDKPC90，JFE的4H45、4H47，风华磁材的PG182A、PG182B、PG182C等。

　　在较大的功率下，也可选择选择磁粉心，磁粉心铁损大的缺点已无关紧要，而其抗直流偏置能力强的优点却得以突显。磁饱和会使得原边电流不再沿斜线上升，而是在末端发生了圆弧上翘，因为磁心饱和会导致原边线圈电感量下降，而电感量下降使得电流波形上翘，很有可能导致这样的结果：上翘的电流使得磁心进一步在开关管导通末端时深度饱和这又使电感量进一步下降，如此恶性循环，直至线圈中电流超限发生“烧机”。这时就要关注磁心材质的Bs是否足够高，直流叠加能力是否足够强，磁心中柱气隙长度设计是否足够深这些问题。

　　3.2磁心工作在整个B-H磁滞回线上

　　现在我们再来看一下磁心工作在整条磁滞回线下的情形。如300W以上，常用的全桥拓扑及原边电流波形。对于全桥拓扑原边的电流波形，电流正负对称其原边电流波形为正负对称，全周期电流平均值为0，即没有直流分量。这种应用场合下磁心工作在整条磁滞回线上，没有直流偏磁场。这时，由于没有直流偏置，磁心可以不开气隙。磁心的铁损很大，发热严重，因此铁损往往是瓶颈，所以要将磁心的低损耗指标放在第一位，对Bs的要求可以降低。优选如TDK的PC47、风华磁材的PG252A材料等。

　　4选材依据：平衡工作温度与磁心功耗-温度曲线的匹配

　　对于变压器平衡工作温度与磁心功耗温度黄线的匹配，选材非常重要，即功率材料的功耗谷点最好与开关电源主变压器的工作平衡温度接近，这样可获得最佳的电源效率，因为无论对于PC40、还是PC44、PC47，或者是PC90、3C92等功率材料，对于其Pcv-T曲线，不是功耗谷点的温度上，其自身功耗值较高。

　　PC47在25℃的功耗接近700kW/m3，是相当高的功耗值。若要求变压器在轻载或者低温时有很低的损耗，应该选择PC95类的材料，如风华磁材的PG312、PG312B(高Bs型PC95类材料)。PC95类具有从低温到高温很宽的温度范围内，具有很平坦(或称浅碟形)的Pcv-T曲线，在电子变压器轻载时，磁心工作平衡温度在室温附件，若选用PC45材料，它在20℃的功耗高达600kW/m3左右，而PC95材料不到400kW/m3，磁心自身功耗下降了近1/3。

　　在电子变压器重载时，磁心的平衡工作温度往往会达到100℃以上。例如PC45材料在120℃下Pcv为650kW/m3左右，而PC95材料只有350kW/m3左右，两者相差极大，这种情况下应选择PC95材料，这充分体现了磁材选型要与电路实际使用情况相匹配的重要性。4H45、4H47这种高温高Bs材料是通过牺牲低功耗来实现高的，随着技术的进步，现在有厂家开发出损耗低而Bs又高的MnZn低功耗材料，如若这样，设计师选材就容易多了，可以实现“懒人设计”了。但是“懒人材料”的价格成本往往也水涨船高，具体还要看相关的设计工程师的取舍了。

　　5结语

　　虽然变压器电路拓扑结构很多，但磁心的工作状态一般只有这三种(不考虑磁放大工作状态)，应根据磁心的工作状态来选择合适的材质。总之，磁心的工作状态取决于电流激励方式，而电流激励方式取决于电路拓扑，磁心材质的选择取决于磁心的工作状态。

　　参考文献：

　　[1]AbrahamIPressman(王志强等译).开关电源设计[M].北京:电子工业出版社,2005.

　　[2]赵修科.磁性元器件分册[M].沈阳:辽宁科学技术出版社,2002.

　　推荐期刊：变压器(月刊)创刊于1964年，由沈阳变压器研究院主办。主要刊载变压器、互感器、电抗器和调压器类产品的技术文献资料。