开关电源中的磁性材料分析

第二部分 开关电源中磁元件第五章 变换器中磁芯的工作要求在功率变换中，应用了多种磁性元件：如脉冲、功率变压器，交、直流滤波电感，交、直流互感器，EMC 滤波电感以及谐振和缓冲吸收电感等。

但就磁芯工作状态主要分为四种，其代表性功率电路—Buck 变换器滤波电感、正激、推挽变压器和磁放大器中磁元件磁芯就属于这四种工作状态.5.1 Ⅰ类工作状态－Buck 变换器滤波电感磁芯图5.1(a)所示为输出与输入共地的Buck 变换器的基本电路。

输出由R 1和R 2取样，与基准U r 比较、误差放大，然后与三角波比较，输出PWM 信号，去控制功率开关S 的导通时间。

假设电路进入稳态，U o 为常数，L 为线性电感。

开关S 闭合时，输入电压U i 与输出电压U o 之差加到电感L 上(图5.1(b))，续流二极管D 截止，电感中电流线性增长(图(d))，直至开关打开前，电感存储能量。

当开关打开时，电感中电流趋向减少，电感产生一个反向感应电势，试图维持原电流流通方向，迫使二极管D 导通，将电感中的能量传输到输出电容和负载，电感放出能量，电感电流线性下降。

电感电流增加量（ΔI =(U i - U o )T on /L ）应当等于减少量（U o T of /L ）,由此得到U o ＝T on U i /T =DU i 。

通过改变功率开关的占空度D ，就可以控制每个周期导通期间存储在电感中的能量，从而控制了变换器的输出电压。

图 5.1(d)中，电感电流在整个周期内流通（可以过零或反向），电感这种状态称为电流连续状态。

电感电流的平均值，即纹波的中心值等于输出电流I o 。

当输出电流下降时，电感电流的变化率没有改变，斜坡的中心值在下降。

当输出电流达到变化量的一半时，斜坡的起始端达到零(图5.1(d)中虚线三角波)。

这种工作状态称为电感电流临界连续。

如果再继续减少负载电流，即增大负载电阻，输出电压将要增加。

负反馈电路使得功率开关导通时间减少，以保持输出电压稳定。

一). 粉芯类1. 磁粉芯磁粉芯是由铁磁性粉粒与绝缘介质混合压制而成的一种软磁材料。

由于铁磁性颗粒很小（高频下使用的为0.5~5微米），又被非磁性电绝缘膜物质隔开，因此，一方面可以隔绝涡流，材料适用于较高频率；另一方面由于颗粒之间的间隙效应，导致材料具有低导磁率及恒导磁特性；又由于颗粒尺寸小，基本上不发生集肤现象，磁导率随频率的变化也就较为稳定。

主要用于高频电感。

磁粉芯的磁电性能主要取决于粉粒材料的导磁率、粉粒的大小和形状、它们的填充系数、绝缘介质的含量、成型压力及热处理工艺等。

常用的磁粉芯有铁粉芯、坡莫合金粉芯及铁硅铝粉芯三种。

磁芯的有效磁导率me及电感的计算公式为： me = DL/4N2S ´ 109其中： D为磁芯平均直径（cm），L为电感量（享），N为绕线匝数，S为磁芯有效截面积（cm2）。

(1). 铁粉芯常用铁粉芯是由碳基铁磁粉及树脂碳基铁磁粉构成。

在粉芯中价格最低。

饱和磁感应强度值在1.4T左右；磁导率范围从22~100; 初始磁导率mi随频率的变化稳定性好；直流电流叠加性能好；但高频下损耗高。

(2). 坡莫合金粉芯坡莫合金粉芯主要有钼坡莫合金粉芯(MPP)及高磁通量粉芯(High Flux)。

MPP是由81%Ni, 2%Mo, 及Fe粉构成。

主要特点是: 饱和磁感应强度值在7500Gs左右；磁导率范围大，从14~550; 在粉末磁芯中具有最低的损耗；温度稳定性极佳，广泛用于太空设备、露天设备等；磁致伸缩系数接近零，在不同的频率下工作时无噪声产生。

主要应用于300KHz以下的高品质因素Q滤波器、感应负载线圈、谐振电路、在对温度稳定性要求高的LC电路上常用、输出电感、功率因素补偿电路等, 在AC电路中常用, 粉芯中价格最贵。

高磁通粉芯HF是由50%Ni, 50%Fe粉构成。

主要特点是: 饱和磁感应强度值在15000Gs左右；磁导率范围从14~160; 在粉末磁芯中具有最高的磁感应强度，最高的直流偏压能力；磁芯体积小。

开关电源的输入EMI差模电感磁芯材料引言开关电源是一种常见的电源应用，其设计和使用中需要考虑电磁干扰（EMI）的问题。

差模电感是开关电源中重要的组成部分，其磁芯材料的选择对EMI性能有着重要的影响。

本文将深入探讨开关电源的输入EMI差模电感磁芯材料的选择与应用。

差模电感的作用差模电感是开关电源中的滤波元件，主要作用有： 1. 过滤高频噪声：差模电感可以阻隔高频噪声，提高开关电源的抗干扰能力。

2. 平滑输出电流：差模电感能够减小开关电源输出的纹波电流，提高电源的稳定性和效率。

差模电感的结构和特点差模电感一般由磁芯、线圈和外壳组成。

其结构特点包括： 1. 磁芯材料：磁芯材料是差模电感的核心组成部分，决定了其电磁性能。

2. 线圈：线圈是差模电感的导电元件，同时也是差模电感电感值的决定因素。

3. 外壳：外壳对差模电感的屏蔽性能和机械强度有着重要影响。

磁芯材料的选择不同的磁芯材料具有不同的磁性能和电磁性能，对差模电感的EMI性能有着直接的影响。

常见的磁芯材料包括： 1. 铁氧体（Ferrite）：铁氧体是一种性能稳定、价格相对便宜的磁芯材料。

在高频范围内的磁导率较低，适用于高频开关电源的差模电感。

2. 铁氟龙氧体（Powder Iron）：铁氟龙氧体磁芯具有较高的饱和磁感应强度和磁导率，适用于高功率开关电源的差模电感。

3. 磁性不锈钢（MPP）：磁性不锈钢磁芯具有较高的饱和磁感应强度和磁导率，同时具有良好的磁滞特性和稳定的温度性能，适用于高性能开关电源的差模电感。

磁芯材料的性能参数对于差模电感的磁芯材料，我们需要关注以下几个重要的性能参数： 1. 饱和磁感应强度（Bs）：材料能承受的最大磁感应强度。

影响差模电感的磁能存储能力和工作点的选择。

2. 相对磁导率（μr）：材料相对于真空中的磁导率。

决定了磁芯中的磁感应强度和磁场能量的关系。

3. 硬磁饱和（Hcs）：材料达到饱和磁感应强度所需的磁场强度。

开关电源中磁珠的特性与选用原则1、磁珠的特性开关电源尤其是大功率开关电源，它们的工作频率一般为100kHz，有的高达1MHz。

在高频的作用下，电源的输出整流管，在关断期间反向恢复过程中，会产生噪声和反向峰值电流，非常容易击穿整流二极管或MOS管，还容易在二极管或MOS管导通期间向外辐射高频率的干扰信号。

人们虽然在整流二极管的两端并联阻容元件组成高频旁路电路，但作用效果不太理想。

相反，由于增加了电阻、电容，在高频率的作用下造成损耗。

近年来，研发人员找到在二次侧滤波器输出线上套上一只磁珠，有力地抑制了噪声和干扰信号，还具有静电脉冲吸收能力。

磁珠的主要原料为铁氧体，是一种晶体结构亚铁磁性材料，它在低频时呈现电感特性，损耗很小；在高频时呈现电抗特性抵抗高频辐射。

它的性能参数与铁氧体磁心一样，为磁导率和磁通密度。

当导体穿过铁氧体磁心时，所形成的电抗是随着频率升高而增加，不同的频率其受理作用不一样。

磁珠在高频下的磁导率较低，电感量也小，干扰电磁波吸收很大；在低频时作用相反。

总而言之，磁珠器件具有低损耗、高品质因数的特性，可防止电磁辐射。

2、磁珠的主要参数（1）标准值磁珠的单位是按照在某一频率下所产生的阻抗来标定的，它的单位是Ω，一般以100MHz为标准。

如2012B601是指100MHz磁珠的阻抗为600Ω。

（2）额定电流是保证电路正常工作允许通过的电流。

（3）感抗磁珠在100MHz的高频下，在一闭环电路里，磁珠的两端所产生的电感量。

电感量的大小表示储能的能力大小。

（4）Q值品质因数。

（5）自谐振频率由于电感有分布电容的作用，将形成LC振荡电路而起振，称之为自谐振频率。

（6）超载电流表示电感器正常工作时的最大电流的2.2倍。

（7）封装形式及尺寸在PCB上多使用表贴封装元器件，这种形式具有良好的闭合磁路和电磁特性。

（8）磁通量磁珠在低频下承受电流越大，感抗随交流变化而呈容抗，磁珠发热而造电路损耗。

初始磁通量与品质因数Q得不到平衡。

软磁材料在开关电源中的应用xxxxxxxxx1.软磁材料的定义当磁化过程（畴壁移动和畴磁化转动）发生在弱磁场中，Hc不大于1000A/m，这样的材料称为软磁体。

2.软磁材料的性能参数饱和磁感应强度Bs：其大小取决于材料的成分，它所对应的物理状态是材料内部的磁化矢量整齐排列。

剩余磁感应强度Br：是磁滞回线上的特征参数，H回到0时的B值。

矩形比：Br∕Bs。

矫顽力Hc：是表示材料磁化难易程度的量，取决于材料的成分及缺陷（杂质、应力等）。

磁导率μ：是磁滞回线上任何点所对应的B与H的比值，与器件工作状态密切相关。

初始磁导率μi、最大磁导率μm、微分磁导率μd、振幅磁导率μa、有效磁导率μe、脉冲磁导率μp。

居里温度Tc：铁磁物质的磁化强度随温度升高而下降，达到某一温度时，自发磁化消失，转变为顺磁性，该临界温度为居里温度。

它确定了磁性器件工作的上限温度。

损耗P：磁滞损耗Ph及涡流损耗Pe P = Ph + Pe = af + bf2+ c Pe ∝f2 t2 / ρ。

降低磁滞损耗Ph的方法是降低矫顽力Hc；降低涡流损耗Pe 的方法是减薄磁性材料的厚度t 及提高材料的电阻率ρ。

在自由静止空气中磁芯的损耗与磁芯的温升关系为：总功率耗散（mW）/表面积（cm2）3.软磁材料的分类3.1.合金磁材料：这类磁材料是由基本磁性材料铁、镍、钴或加入其它元素构成的合金。

除恒导合金外，这类材料一般具有极高的相对磁导率(60000)，很高的饱和磁感应(0.6T～1.9T)和很窄的磁化曲线。

主要有：硅钢片、铁镍软磁合金、非晶合金和微晶合金、宽恒导磁合金。

3.2.磁粉芯：磁粉芯通常将磁性材料极细的粉末和作为粘结剂的复合物混合在一起，通过模压、固化一般形成环状的粉末金属磁芯。

由于磁粉芯中存在大量非磁物质，相当于在磁芯中存在许多非磁分布气隙，在磁化时，这些分布气隙中要存储相当大的能量，因此可用这种磁芯作为电感和反激变压器磁芯。

3.3.软磁铁氧体材料：铁氧体是深灰色或黑色陶瓷材料，质地既硬又脆，化学稳定性好。