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新型电感器磁芯满足业界对更小、更安静、更可靠电源所需
[发布时间]:2019年12月20日 [来源]:基美电子(KEMET) Patrik Kalbermatten [点击率]:492
【导读】: 工程复合磁芯使电感器制造商可将大电感集成到小体积中。FlakeComposite新技术将磁芯性能提升到了一个新的水平,并增加了额外的机械弹性,可支持新型的超薄器件。  功率电感器是用于管理开关转换...

  工程复合磁芯使电感器制造商可将大电感集成到小体积中。FlakeComposite新技术将磁芯性能提升到了一个新的水平,并增加了额外的机械弹性,可支持新型的超薄器件。
  功率电感器是用于管理开关转换器中能量流的关键器件,可确保平稳输电并帮助协调换向。为了保持电流流动足够长的时间,而使电路在主开关关闭时能正确工作,工程师需要选择合适的电感值来存储足够的能量。
  虽然为了支持连续或不连续电流模式(CCM或CDM)或谐振工作,电感值的计算会根据转换器的类型而有所不同,但对于给定的额定电流,电感值与尺寸相比通常要大。此外,还需要在预期频率范围内提供稳定性能,而对于汽车或航空航天等应用来说,还需要提供温度稳定性并提高最高工作温度。

  工程电感器达到极限
  电感器的属性受物理定律限制。对磁芯材料进行精心设计,有助于将这些限制推向极限,从而为工程师的应用提供最佳参数组合。通常使用的磁芯材料包括锰锌(MnZn)和镍锌(NiZn)铁氧体,以及由特殊配方合金颗粒(由绝缘粘合剂隔开)所形成的金属粉末芯。尽管通过增加磁芯体积来解决电源应用很困难,但薄膜电感器也可以通过沉积钴基合金来制造,从而实现具有良好饱和性能的高磁导率。
  尽管存在一些缺点,但铁氧体磁芯具有高磁导率——NiZn材料高达300左右,而MnZn则会更高。这些材料往往很脆,因此不适合嵌入到PCB中,或制造薄型电感器,例如平面横向通量器件。此外,它们会经历突然的饱和,而引起电感随直流偏置的增加而发生急剧滚降。
  就粉末芯而言,流行的合金包括铁硅(FeSi)或铁硅铝(FeSiAl),以及包括非晶铁和坡莫合金在内的其他组合物。这类分布式气隙磁芯具有颗粒结构,其饱和特性比铁氧体电感器要软,因此对小偏移直流偏置较不敏感。另一方面,其磁导率通常要比铁氧体小约一个数量级,其有机粘合剂也不能耐受高工作温度。
  新的金属薄片压制技术现在可以生产出磁导率与NiZn铁氧体相当、软饱和特性与传统粉末芯可比的分布式气隙磁芯材料。此外,这种新型FlakeComposite磁芯还具有更高的温度稳定性、更高的最高工作温度和机械灵活性。这种灵活性增加所带来的不仅是有机会创造超薄电感器,而且还可以在PCB内嵌入强大的电感器而节省空间,并可以探索机会,将新型电感器(如横向磁通电感器)与有源器件一起集成在下一代电源转换设计中。

  性能比较
  图1给出了FlakeComposite磁芯材料与铁氧体、粉末和薄膜磁芯的关键磁导率和饱和特性对比。

图1:FlakeComposite的磁导率与铁氧体相当,并具有卓越的饱和性能。

  众所周知,铁氧体材料在高频、高温或高直流偏流值下会失去磁导率,导致电感值迅速降低,从而影响性能。为了确保FlakeComposite磁芯电感器至少能够与铁氧体电感器一样好,我们需要比较频率、温度和直流偏置性能。
  图2比较了FlakeComposite与NiZn铁氧体复合磁导率的频散。两种材料的曲线图显示,磁导率在约6MHz以上迅速降低,这表明FlakeComposite在工作频率高达1MHz的开关转换器中,性能与NiZn相同或者更好。

图2:对于高达数MHz频率的电源应用来说,FlakeComposite所提供的性能与NiZn铁氧体相当。

  对磁饱和特性进行比较,FlakeComposite进入饱和要比NiZn铁氧体更软,并且温度相关性更低,因此大有裨益(图3)。

图3:与NiZn铁氧体相比,FlakeComposite的磁饱和曲线更软,温度相关性更低。

  图4对FlakeComposite与NiZn铁氧体和传统金属复合材料(粉末)的直流偏置性能进行了对比。FlakeComposite结合了两种类型的优势,在低偏置下具有与NiZn相当的优异磁导率,而在高偏置下则可保持更高的磁导率,并且温度相关性最低。

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