软磁铁氧体材料与电子变压器及其发展
[发布时间]：2009年4月27日
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【导读】： 1、前言软磁铁氧体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...
1、前言
软磁铁氧体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、设备分机或元器件，与人们日常生活息息相关。
软磁铁氧体材料的发明与实用化，至今已半个世纪。由于它具有的高磁导率、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（广义称电子变压器）在计算机、微机手机、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、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而得到广泛应用。
电子变压器是软磁铁氧体材料应用的一个主要电子元器件。由于电子变压器在上述仪器、设备中所起的作用不同，故所选用电子电路不同而对磁性材料参数及磁芯形状尺寸也有不同要求，从而促进软磁材料生产厂家开发生产能满足不同变压器所需磁性参数的软磁材料及不同形状尺寸的软磁磁芯。
2、 软磁铁氧体材料
软磁铁氧体材料按成份可分为MnZn、NiZn、MnMgZn系等尖晶石型和平面型六角晶系两类。从应用角度，又可分为高磁导率（高）、高饱和磁通密度（Bs）以及高频大功率（功率铁氧体）等几大类。
2.1 MnZn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）应尽量小，希望呈负温度系数，以避免变压器在高频下发热；为了在高温下保持的Bs值、材料的居里温度（θt）应当较高。要求在高磁通密度下（B=200mT），高温下（80～100℃）和高频下（20～50kHz）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的最重要的性能，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0.5～1MHz，相应功率铁氧体材料也商品化，在80～100℃、500kHz、50mTF，磁芯损耗为80～100kW/。专家们预测，未来开关电源频率将是1MHz或更高频率，那么，功率铁氧体将开发工作频率为100～300kHz，在100kHz、200mT、100℃时，磁芯损耗为150kW/左右的材料。据资料报道，日本已开发出Pcv=199kW/(100kH、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
低频宽带变压器、小型脉冲变压器、电源滤波器等使用频率为数十赫至0.5兆赫的远和通讯仪器及电磁兼容需要高磁导率MnZn铁氧体材料。一般要求=5000～12000，居里温度Tc高≥120℃，比损耗系数tgδ/=7～15×(f=100kHz)，温度系数小αμ=0.5～1.5×/℃，并要求随使用频率增加磁导率衰减减慢，使～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产品是日本TDK公司的H5C2、H5D、H5E、飞利浦的3E5、西门子的T38、天通公司的TL13等。日本TDK公司的H5E的已达到18000，预计到2002年将提高到25000左右。
2.2 NiZn 系铁氧体
NiZn系铁氧体因具有高频特性好（高ρ、低损耗角正切tgδ、低磁导率的温度系数αμ）而制成各种电感器、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应用，其磁导率在1500以下变化，使用频率范围在1MHz～100MHz之间。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NiCuZn铁氧体，具有高的电阻率，在高频下具有良好磁特性，可用于片式电感器中。
2.3 MgZn、MgMnZn系铁氧体
MgZn、MgMnZn系铁氧体材料有良好的高频特性，不需战略物质镍，成本低、在民用产品方面又部分替代NiZn系材料。高电阻率（ρ=～Ωcm）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及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
电子变压器是指用于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，磁性能要稳定，不能随时间的增长而变化；②磁性能要满足工作要求；③成本低，性价比要高；④可批量稳定生产。
在电子变压器设计中，应正确地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作用，设计制造出性价比优越的电子变压器来。
3.1 开关电源变压器
开关电源变压器是开关形式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20～500kHz下且在矩形波状态下的
频率，通常要求功率损耗是3～5倍的开关频率下的功率损耗，在100kHz条件下功率损耗≤700kW/，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∝（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200～500kHz时，涡流损耗常常已占支配地位，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形磁芯，由于EC形磁芯中心柱为圆形截面，它与中心柱为方形截面的EE形磁芯相比，相同的绕线截面积下，其绕线长度最小，故铜损小，因此制成的电子变压器漏感也低，采用EC形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 制出了PQ型磁芯，现已进入实用阶段。小型化、超薄形、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上。
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辩率方向发展，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16～100kHz频率范围。回扫变压器目前采用U型磁芯，它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来发展迅速，有可能在将来，将会逐渐取代CRT，这意味着回变压器用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，要求材料磁导率高（7000～15000）并要求有较高的Q值。脉冲变压器通常采用EP形磁芯，这类磁芯引线非常方便，且具有屏蔽效果，能满足脉冲变压器小型化。为适应电信设备小型化的需要，日本、中国、台湾和香港等众多厂商正积极开发和生产小尺寸和表面安装的脉冲变压器，使其体积较原有脉冲变压器缩小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（HDS2）的脉冲变压器已成上升趋势。
3.4 音频变压器
音频变压器是一项技术成熟产品，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形和环形磁芯，而环形磁芯制作的变压器较EI形磁芯制作的变压器性能好，尽管环形磁芯变压器较EI型磁芯变压器价格要高，但音频设备制造商能承受这价格，故环形磁芯变压器需求增长较快。
今后，电感线圈片式化进程将进一步加快。扼流圈主要课题是降低产品尺寸和开发片式产品，并将向高档化和用户专用方向发展。LCD屏的背光电路、变换器和电信设备将继续是扼流圈应用急速增长的主要领域。提高生产自动化程度仍将是制造商关注的重大课题。偏转线圈制造商由于利润关系正在转向生产彩色偏转线圈产品。复合化将是线圈的主要发展趋势之一。片式LC和LRC复合产品将更流行。
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