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1、铁氧体磁心及其应用,提 纲,软磁铁氧体材料及磁心基础知识软磁铁氧体的发展趋势铁氧体磁心的典型应用,软磁铁氧体材料及磁心基础知识,磁性材料的分类硬磁(永磁)材料 金属永磁(NdFeB/SmCo/AlNiCo)永磁铁氧体(Sr/Ba)软磁材料 金属软磁(Fe/FeNi/FeSiAl/非晶态合金/微晶/纳米晶)软磁铁氧体(MnZn/NiZn/MgZn)旋磁材料 旋磁铁氧体(尖晶石系/柘榴石系/六角晶系）矩磁材料 磁纪录材料(-Fe2O3/CoO),软磁铁氧体的定义及特征软磁铁氧体是可表示为下列分子式的尖晶石晶体结构的磁性材料：MeOFe2O3 式中Me代表锰、镍、锌、铜、镁、钴等二价金属离子。,软磁
2、铁氧体的主要优点电阻率远大于金属磁性材料，这抑制了涡流的产生，使铁氧体能应用于高频领域；采用陶瓷工艺易于制成各种不同的形状和尺寸；化学特性稳定、不生锈；较低的制造成本。软磁铁氧体的主要缺点饱和磁通密度较低，质地脆，易碎。,种类繁多的软磁铁氧体磁心,软磁铁氧体的主要用途主要制成磁心用于各种电感器、变压器、滤波器和扼流圈的制造，广泛应用于现代电子信息领域，如电脑及其外部设备、办公自动化设备、数字通信和模拟通信设备、互联网、家用电器、电磁兼容设备、绿色照明装置、工业自动化和汽车、航空、航天及军事领域。,软磁铁氧体具有广泛的用途,软磁铁氧体制造工艺流程按照预定的配方称重，把高纯、粉状的氧化物(如 Fe
3、2O3、Mn3O4、ZnO、NiO、MgO等)混合均匀，再经过预烧、粉碎、造粒，模压成型为毛坯，在高温(12001400)下烧结，再通过磨削加工、检查和包装获得成品。,软磁铁氧体的机理,磁心的显微结构,放大500倍,磁畴及磁化过程,磁化曲线及磁滞回线,1、初始磁导率i 初始磁导率是磁性材料的磁导率(=B/H)在磁化曲线始端的极限值，即式中 0为真空磁导率(410-7 Hm)H为磁场强度(Am)B为磁通密度(T),软磁铁氧体的主要技术性能参数,磁导率和磁化曲线的关系,2.有效磁导率e 为了绕制的方便，在变压器及滤波器等器件中,常采用两只形状相同的磁心配对构成闭合磁路。由于磁路各部份形状尺寸不同，
4、且配合面不可避免有残余气隙(为改善性能,有时在磁路人为开制气隙),因此要用有效磁导率来表征磁心的性能。式中 L为装有磁心的线圈的电感量(H)N为线圈匝数 le为有效磁路长度(m)Ae为有效截面积(m2),开气隙提高了磁心抗饱和的能力,3.饱和磁通密度Bs(T)磁化到饱和状态的磁通密度。4.剩余磁通密度Br(T)从饱和状态去除磁场后，剩余的磁通密度。5.矫顽力Hc(A/m)从饱和状态去除磁场后，磁心继续被反向的磁场磁化，直至磁通密度减为零，此时的磁场强度称为矫顽力。,6.居里温度Tc()在该温度下材料由铁磁性(或亚铁磁性)转变成顺磁性。,7.电阻率(/m)具有单位截面积和单位长度的磁性材料的电阻
5、。8.密度d(kg/m3)单位体积材料的重量，即d=W/V 式中 W为磁心的重量(kg)V为磁心的体积(m3),9.功率损耗Pc(kW/m3)磁心在高磁通密度下的单位体积损耗或单位重量损耗。该磁通密度可表示为Bm=E/4.44f NAe 式中 Bm为磁通密度的峰值(T)f 为频率(Hz)N为线圈匝数 Ae为有效截面积(m2)E为励磁电压有效值(V),磁滞损耗Ph、涡流损耗Pe和剩余损耗Pr之和构成功率损耗：功率损耗又可用经验公式表示：Pc=C f a Bmb 式中C为常数，f为工作频率，Bm为工作磁通密度，对于常见的功率铁氧体材料而言，a为1.2，b约为2.5。,PcPhPePrf BdH+C
6、f 2Bm2/+Pr,功率损耗的构成,10.电感因数AL(nH/N 2)电感因数定义为具有一定形状和尺寸的磁心上每一匝线圈产生的电感量，即 AL=L/N2 式中 L为 装有磁心的线圈的电感量(H)N为线圈匝数,NCD MnZn软磁铁氧体材料分类 1、LP系列功率铁氧体材料，主要用于开关电源变压器、扼流圈及其它功率转换领域，包括LP1、LP3、LP3A、LP4、LP5、LP9、LP13等。2、HP系列高磁导率铁氧体材料，主要用于EMI滤波器和数字通讯领域的宽带、脉冲变压器，包括HP1、HP2、HP3、HP3A等。,NCD功率铁氧体材料特性,NCD高磁导率铁氧体材料特性,常用铁氧体磁心的特点：E(
7、EE、EF、EI):简单、经济的形状；方形截面不易绕制粗线；磁心有效面积较大；磁屏蔽较差。,平面E型(Planar EE、Planar EI):低矮结构；小的漏磁通；寄生特性的重复性很好；易于装配；节省成本；可靠性高；热特性好，易于散热。,EFD型:很低的结构高度；很高的传输功率密度；包括 SMD骨架在内的范围很全的配件。,EP型:立方体设计有利于高密度装配；优良的磁屏蔽；易于设计多路输出变压器。,ER型:圆形中心柱；边侧腿带有圆弧；为获得更小的尺寸，备有SMD骨架和卡箍；中等的磁屏蔽效果。,ETD型：AC/DC 转换器的最佳形状；开关电源变压器最高频率可到200kHz；传输一定功率的最小体积
8、和重量；高效率的安装部件；中等的磁屏蔽。,P(罐)型：优良的磁屏蔽；各种材料和尺寸规格齐全；不易装配和安装；引出线困难；用作电源隔离困难。,PQ型:圆形实心中柱及圆的绕线空间；矩形的外部设计；磁心对的顶部和底部均为完全平面，与散热器可有良好的热接触；良好的磁屏蔽。,RM型:标准化的规格；配件范围齐全；易于自动化绕线；简单的安装系统；有效利用 PCB 面积；较宽的出线槽口；良好的磁屏蔽。,U型:简单、经济的形状；可拼接使用于更大的功率；大的尺寸；没有自屏蔽效果。,环形(Ring)简单经济的形状；非常低的杂散磁通和漏感；不容易绕线。,软磁铁氧体的发展趋势,更高的磁导率更低的损耗更高的饱和磁通密度更
9、高的使用频率更宽的使用温区更小的体积和重量更低矮的安装高度,更高的磁导率TDK：H5C2(=10000)H5C3(=15000)H5C5(=30000),更低的损耗,TDK：PC30(Pcv=600kW/m3)PC40(Pcv=410kW/m3)PC44(Pcv=300kW/m3)PC47(Pcv=250kW/m3),更高的饱和磁通密度,FDK：6H20(Bs=390mT)4H45(Bs=450mT)4H47(Bs=470mT)4H50(Bs=500mT),FERROXCUBE：3C90(fmax=300kHz)3F3(fmax=500kHz)3F35(fmax=1MHz)3F4(fmax=2
10、MHz)3F5(fmax=4MHz),更高的使用频率（1）:功率材料,更高的使用频率（2）:高磁导率材料（更高的阻抗）,更宽的使用温区（1）：功率材料TDK：PC40（80110损耗较低）PC95（25120损耗较低）,更宽的使用温区（1）：高磁导率材料TDK：H5C2（室温以上使用）H5C4（零下30可使用）,更小的体积和重量,更低矮的安装高度,顺应世界铁氧体材料发展趋势的NCD研发体系,NCD铁氧体材料和世界各主要厂商材料对应关系,铁氧体磁心的典型应用,信号处理（ADSL及LAN宽带变压器）功率转换（开关电源、LCD背光源逆变器、汽车电子、绿色照明）EMI抑制（共模扼流圈、EMI滤波器）大
11、磁心的应用（逆变焊机、高频感应加热）,信号处理1、ADSL宽带变压器2、LAN接口变压器,1、ADSL宽带变压器（Wideband transformer),ADSL（非对称数字用户传输线）通讯原理图,主要功能：阻抗匹配及隔离 主要技术要求：宽频带（20kHz1.1MHz）低IL（Insert Loss，插入损耗）低THD（Total Harmonic Distortion，总谐波失真 系数）低IL和THD是保证ADSL传输距离、避免数据误差的关键因素,关于THD：定义THD=20lg（V3/V1）V1为基波的振幅，V3为三次谐波的振幅THD B CDFB（材料磁滞系数）：与材料损耗特性有关C
12、DF（Core Distortion Factor，磁心失真因数）：与磁心形状及尺寸有关,适合的材料：高磁导率（4000至10000）、低THD/低B（0.210-61/mT）材料如：ACME:A101FERROXCUBE:3E55TDK：DN70NCD:HPX（预研中）适合的磁心：EP、EPO、EPX（镜面研磨、中心柱开贯通气隙）,3E55特别适合ADSL应用的低THD材料,THD和温度的关系(10mT,25kHz),EPO,EPX等EP改进型磁心具有更低的CDF,2、LAN（局域网）接口变压器,主要功能：阻抗匹配、EMI抑制主要技术要求：最小的器件体积100kHz高电感量 070高直流叠加
13、特性（Idc8mA）适合的材料：高磁导率、高饱和磁通密度之“双高”材料，如FERROXCUBE：3E28TDK：DN50EPCOS：T55适合的磁心：H2.54/1.27 mm 至3.94/2.24mm磁环,功率转换1、开关式电源（AC-DC、DC-DC、DC-AC）2、LCD背光源逆变器3、混合动力汽车DC-DC转换器4、绿色照明用电子镇流器,各种各样的开关电源和适配器,1、开关式电源,典型的开关电源电路及用于其中的磁性器件,开关电源基本电路原理：交流输入先经过EMI滤波电路，然后经二极管整流、滤波成直流电，再经过开关斩波电路变换成高频交流电，通过主变压器变压、隔离后，由快速恢复二极管高频整
14、流，再经过扼流圈、电容滤波后输出平滑直流。,开关电源常见的三种电路类型为：回扫型、正向型、推挽型：,三种电路的优缺点,根据电路类型选择适宜的磁心类型,可传输功率,磁心规格和输出功率的关系（100kHz开关电源）,材料性能因子由铁氧体磁心制成的变压器，其通过功率直接正比于工作频率f和最大可允许磁通密度Bmax的乘积。很明显，对传输相同功率来说，高的（fBmax）乘积允许小的磁心体积；反之，相同磁心尺寸的变压器，采用高（fBmax）的铁氧体材料，可传输更大的功率。我们将此乘积称为“性能因子”（PF），这是与铁氧体材料有关的参数。,功率铁氧体的PF特性,主变压器磁心技术要求：在工作频率范围内和工作温
15、区内（一般为80至100，便携式为40至70）有低的功率损耗，且温度系数为负值；高饱和磁通密度。适合的材料：LP3(200kHz,TDK PC40)LP3A(300kHz，高性能，TDK PC44)LP5(300kHz1MHz，TDK PC50)LP9(300kHz，宽温，TDK PC95),2、LCD背光源逆变器（LCD backligting inverter),液晶电视是将红蓝绿的滤光膜贴在黑白两色的液晶上，荧光灯从其背后照射液晶而表现图像的，上图是液晶显示出T字母的样子。,LCD TV图像显示原理,背光单元,LCD面板,LCD模组用框架,液晶显示用各种器件,冷阴极射线管(CCFL),接
16、口电路,背光源逆变器（Backlight Inverter）,冷阴极射线管(CCFL),LCD背光源逆变器,晶体管,IC,扼流圈,片式电感,升压变压器,电阻,升压变压器主要技术要求：在50 100kHz内有低的损耗，损耗温度系数为负值，低矮轮廓，高尺寸精度 适合的材料为LP3、LP3A、LP9 适合的磁心形状为EFD、EE、EI、CI、UI,3、混合动力汽车DC-DC转换器 混合动力汽车（HEV）是由汽油机和电池两种动力驱动的汽车，具有节能、低排放、低噪音等优点，并且保持了传统的由内燃机驱动的汽车续驶里程长的固有特点，因此具有巨大的发展潜力和十分看好的市场前景。随着油价的不断攀升和环保要求的提
17、高，HEV在今后5年内将会有很大的发展。1997年，丰田推出了世界上第一款批量生产的HEV Prius（中文名称普锐斯）。,丰田 Prius 外形图和动力系统原理图,为了实现复杂的动力转换和传输功能，Prius动力系统内使用了多件功率转换用变压器和扼流圈。为了确保在恶劣的环境下长期可靠运行，并保持高的效率，这些变压器和扼流圈的磁心均采用高性能宽温低损耗功率铁氧体材料制成，如TDK PC95或FDK 6H60等。NCD为适应汽车功率电子迅速发展的要求，2005年开发成功了类似PC95的宽温功率材料LP9。,NCD LP9和其它厂商同类材料特性对比,以往的功率铁氧体材料由于受到磁晶各向异性常数K1
18、很大的温度依赖性的影响，低磁滞损耗和高磁导率的特性仅仅能在K1补偿为零的温度点附近才能实现。,对于HEV动力系统DC-DC转换器用磁心材料来说，要求从零下到125都具有低的损耗和高的效率，所以必须开发一种在很宽温度范围内都具有低损耗特性的新材料。NCD在深入研究影响磁晶各向异性常数K1的温度依赖性的各种因素基础上，通过优化成分和严格控制显微结构，大大降低了磁晶各向异性对温度的依赖性，使LP9材料具有十分平坦的功率损耗温度特性。,K1Temp.及PcvTemp.特性,LP9与LP3A功率损耗Pcv的温度特性对比,LP9与LP3A初始磁导率i的温度特性对比,使用LP9制成的大型PQ系列磁心已经在H
19、EV上进入了试用阶段。,4、绿色照明用电子镇流器气体放电灯是有别于使用灯丝的白炽灯的节能光源，主要包括荧光灯、霓虹灯、高强度气体放电灯(HID)等几类。由于气体放电灯消耗更少的电，如果能替代白炽灯，那将会节省大量电能，减少燃料使用量，从而减少二氧化碳等温室气体的排放，缓解全球变暖问题，所以被称作“绿色照明”光源。,气体放电灯是具有负阻性的电光源，即当灯电流上升时，灯管的工作电压下降，但是供电电压不会下降，因此会使灯电流进一步上升，最终烧坏灯管。所以要使灯正常工作，必须限制和稳定灯电流，这个限流装置就叫做“镇流器”。,过去人们使用电感式镇流器，体积大，笨重，消耗大量铜和硅钢等金属材料，灯发光有频
20、闪，功率因数低，工作效率低。上世纪40年代发现，荧光灯在高频率下点亮灯管，可提高发光效率。如用10 kHz以上的高频点灯，对比由工业频率(50Hz或60 Hz)点灯时，可提高发光效率约816。当时用于高频逆变器电路的半导体尚未达到实用化程度。直至1978年东芝公司首次在世界上将电子镇流器应用于直管式40 W荧光灯上，才开始了电子镇流器的实用阶段。,各种荧光灯用电子镇流器,各种紧凑型节能荧光灯灯座里已经集成了镇流器电路,荧光灯电子镇流器的基本电路原理是：整流电路(AC/DC变换)将工频交流电压变换成直流电压，在逆变器电路(DC/AC变换)中将直流电压变换成40kHz以上的高频电压，点亮荧光灯。,
21、典型的LC串联谐振半桥逆变电子镇流器电路,HID灯是气体放电灯的一种，包括高压钠灯、汞灯及金属卤化物灯等，具有高光通量、高光效、长寿命和放电管小等优点，被广泛应用于机场、道路、码头、体育场馆等室内外照明及汽车前照灯。,汽车HID前照灯(氙气灯)及其安定器,HID气体灯与荧光灯相较，对电子镇流器有特殊要求：1.提供灯管一个35kV的高启动电压，使灯管可靠点亮；2.含有金属蒸气的放电灯，在其蒸气达到足够高的工作压强以前，一般需要一个短的预热时间，为了使灯管能快速稳定，镇流器在灯管启动后，应能提供一个较额定电流高的电流输出，加速放电灯的稳定过程；3.电子镇流器应包含PFC电路，满足有关国家标准对PF
22、及THD的要求；4.对于HID气体灯，当其工作频率大于1kHz，会出现所谓的声共振现象而导致灯管损坏，电子镇流器的设计应能很好解决声共振问题。,一个实用的HID镇流器电路,磁心主要技术要求：在50 80温区内有低的损耗，适应脉冲工作条件 输出电感适合的材料为LP3、LP3A，适合的磁心形 状为EE、EI、EFD、ETD 振荡变压器适合的材料为有特定脉冲特性的中高磁导率材料，适合的磁心形状为环形,EMI抑制共模扼流圈EMI滤波器,铁氧体磁心用于EMI抑制基本原理,开关电源输入滤波器(共模扼流圈),共模扼流圈,EMI滤波器,主要技术要求：在所需频率范围内有高的阻抗Z,适用的材料：MnZn系及NiZ
23、n系,大磁心的应用1、逆变焊机2、高频感应加热设备,1、逆变焊机焊接的基本原理是采用加热、加压或两者并用的办法，使两个工件产生原子(或分子)之间结合力而连成一体的加工方法。按照焊接过程中金属所处的状态不同，可以把焊接方法分为熔焊、压焊和钎焊三类。电弧焊是利用正、负电极在瞬间短路时产生的高温电弧来熔化焊料和被焊材料，使被焊工件之间牢固结合的焊接方法，它是所有焊接方法中应用最为广泛的一种。,电焊机的主体是产生电弧的电源。传统交流电焊机的电源就是一个大功率的变压器，将220V、50Hz交流电变为低电压，大电流。其优点是结构简单；缺点是体积大、笨重、效率低、高耗能、焊接质量差。采用逆变电路做为电焊机的
24、电源，具有焊接性能好、效率高、节能、体积小、重量轻、易于控制、有利于实现焊接机械化和自动化等优点，已成为弧焊电源的发展方向。,逆变焊机与普通焊机对照表,各种型号的逆变焊机,逆变焊机电路基本原理,交流电经整流滤波后变成直流，再通过大功率开关电子元件的作用（晶闸管SCR、场效应管MOSFET或IGBT），逆变成几十至上百kHz的高频交流电压，经变压器隔离、降压至适合于焊接的几十伏电压，再经整流、滤波输出平稳的直流焊接电流，供给焊机的电极，对工件进行焊接。,对变压器磁心的技术要求高功率传输能力，普遍使用大型磁心；高饱和磁通密度；中、低频率下的低功率损耗。适合的材料：LP3、LP4适合的磁心：大型UU
25、、UI、EE,2、高频感应加热设备,高频感应加热基本原理是：利用高频电流在感应器中产生的交变磁场，使置于其中的金属工件内部感生出强大的涡流，从而产生高热量，使工件迅速达到所需处理温度。,各种高频感应加热设备,高频感应加热的主要应用为热处理、焊接、热透、金属熔炼、锻压等。,高频感应加热的主要优点：可快速加热；可局部加热；节省能源；不产生有害物质，绿色环保。,高频磁场在导体中感生出的涡流具有集肤效应集肤深度1/f1/2相对于中频感应加热（110kHz），高频感应加热（100500kHz）在效率、能耗、体积、重量等方面，均有显著的优势，较适合于工件的表面热处理。,高频感应加热电源基本原理是：交流电经
26、整流、滤波后变成直流，经逆变电路转换成高频、低压、大电流的交流，输出到感应器。,对逆变电路所用磁心的技术要求 高功率传输能力，普遍使用大型磁心；高饱和磁通密度；工作频率下的低功率损耗。适合的材料：LP3、LP4 适合的磁心：大型EE、UU、UI，特大功率的设备需要多只磁心拼接使用,平面变压器用铁氧体磁心,几种不同结构的平面变压器,平面技术的优点与传统绕线式电感元件相比，平面磁性技术有诸多的优点。最明显的优点是它具有非常低矮的安装高度，促进了便携式设备和高密度机柜的平面化。平面磁性元件非常适合用于高性能的开关式功率转换器的设计。低的交流铜损和良好的耦合增加了转换效率。假如磁心无气隙或仅有适中的气
27、隙，转换效率可高达95%以上。此外，低漏感减少了会导致MOSFET损环和加大辐射干扰的电压尖峰和振荡。良好的散热允许非常高的传输功率密度，甚至可达到传统变压器的两倍。由于寄生效应的重复性很好，便于采用高的开关频率和谐振电路拓扑。用LP5材料制成的磁心开关频率可高达1MHz。,应用功率转换 元件 功率变压器,输出或谐振扼流圈,电源滤波扼流圈 AC/DC 转换器(市电供电电源)独立开关式电源 电池充电器(移动电话,便携式电脑)仪器和控制器,DC/DC 转换器(分布式或电池供电电源)功率转换模块通讯网络开关(分布式供电)移动电话(市电供电)便携式电脑(市电供电)电动汽车(将驱动电压降压至 12 V的
28、 转换器),AC/AC 转换器(市电供电电源)紧凑型荧光灯感应加热及焊接 DC/AC 逆变器(电池供电电源)移动电话(LCD 背光源)便携式电脑(LCD 背光源)汽车气体放电前照灯HID(镇流器)汽车后窗玻璃加热器,脉冲传输 元件宽带变压器S0 接口(用户电话线)U 接口(用户 ISDN 线)T1/T2 接口(网络开关间的中继线)ADSL 接口(非对称数字用户线)HDSL 接口(高速数字用户线),铁氧体材料选用可选用功率材料 LP5(频率可达到 1000 kHz)和 LP3F(频率可达到 300kHz)；高磁导率 HP3(i=10000)可用于电源滤波扼流圈和宽带变压器。,磁心的选用 磁通密度由于散热好，所以相比传统设计，相同的磁心体积允许的功率损耗可大一倍。因此最佳的磁通密度将比传统设计高。,气隙考虑到杂散磁通，大的气隙在平面设计中是不利的。杂散磁通影响取决于绕线窗口高度和气隙长度之比，在平面磁心中这个比值较小。如果窗口高度仅仅为气隙长度的几倍，且窗口宽度是磁心中柱宽度的几倍，那么相当大的磁通量将从磁心的顶部穿越到磁心的底部。较多的杂散磁通和穿越磁通会在绕组中感生出较大的涡流损耗。,谢 谢,
