晶纳米晶磁环与共模电感、可饱和电感的开发应用

 

简述

   随着电子信息产业的迅速发展，高频开关电源的三大主力市场：通信、计算机和消费电子也将得到迅速发展。无论是AC/DC或DC/DC电源，除功率晶体管外，由高性能磁性材料制成的主变压器、扼流圈及其他电感器（如抗噪声滤波器）是极重要的元件，其磁性能和尺寸直接关系到电源的转换功率和功率密度等。

     

     非晶纳米晶软磁合金材料的带厚和电阻率决定其最佳应用频率范围是KHz频带，正好与目前高频开关电源频带相重合，所以高频开关电源用非晶纳米晶合金磁性器件的研究开发应用工作非常活跃。多年来我们不仅研究开发了多种规格的非晶纳米晶合金的O型、C型、CD型等开关电源功率变压器铁芯应用在中频电源、逆变电源、程控交换机及逆变焊机用电源变压器等，而且通过热处理方法、工艺及加工技术等来调整其软磁特性，研制开发了有效磁导率µe从几十到几万的系列电感铁芯来满足高频开关电源中另一类重要的磁性器件——电感特性需要，尤其是高频大功率大电流开关电源的各类电感器件。这些高新技术产品成功应用，不仅提高非晶纳米晶合金材料及器件的技术水平和生产能力，而且还促进非晶产业化的发展。

 

   高频技术的广泛应用，人们对电磁兼容(EMC)、噪音污染等问题越来越重视，抗EMI技术现已成为一门新型的技术和新型的产业，解决电子设备的电磁兼容性更加迫切，各种各样的抗电磁干扰抑制噪音等磁性器件得到广泛应用，这些器件的关键元件之一就是电感器件。

 

   我们利用非晶纳米晶合金材料的性能特点并结合前人的工作基础，研究开发应用非晶纳米晶合金材料系列电感器件，不仅开展了较为成熟的横场退火法和带气隙非晶纳米晶电感铁芯的工作，而且在国内首创铁基纳米晶合金的磁粉芯和铁基非晶无间隙宽恒导电感系列化产品器件的研究开发，取得良好的应用效果，现已形成有效磁导率µe从几十到几万的系列电感铁芯产品，满足不同用户的需要。

 

  

l：平均磁路长度(cm)由此可知，同样尺寸规格的磁芯，有效磁导率µe越高电感量越大，因而非晶纳米晶合金制备的共模电感、可饱和电感及尖峰抑制器等具有以下性能特点：

1. 有效磁导率高，电感量大，体积小；

2. 矫玩力低，损耗低；

3. 绕线匝数少,分布电容小；

4. 高饱和磁感，处理噪音尖峰效果好；

5. 居里点高、温度稳定性好；

6. 良好的频率特性;非晶纳米晶合金的高磁导率，可以大大减小共模电感及尖峰抑制器的磁芯尺寸，尤其上在大电流大功率使用场合，选用该类合金用作共模电感磁芯，具有良好的性价比。即使与廉价的高性能铁氧体相比也不逊色，一般这类铁氧体的磁导率µe在1万左右，而铁基纳米晶合金的磁导率一般可达8~12万，同样电感量的要求下后者的磁芯尺寸只有前者的1/8~1/10，而两者的价格差在6倍左右，显然铁基纳米晶合金具有一定的竞争力。如在某军用三相开关电源中，工作电流为100A，一只φ130×φ90×30mm常规微晶合金磁芯替代了4只φ130×φ70×50mm高性能铁氧体磁芯，且有一定的性能富余。由于开关电源技术的广泛应用，抗电磁干扰的共模电感已是许多电子设备中必不可少的器件，除考虑50Hz的工频外，还对高频性能有一定的要求，采用具有高磁导率低Br非晶纳米晶材料制作这类电感器件将是最佳的选择。

表一. 铁基纳米晶合金共模电感的磁性能

   开关电源的一大缺点是容易产生噪声干扰，其噪音主要上由于开关功率管和开关整流管中快速变化的高压切换电流和脉冲短路电流引起的，现在大多采用非线形饱和电感来抑制反向恢复电流尖峰的办法来抑制噪音。这类尖峰抑制器中的电感器件体积小电感量大，因而要求电感磁芯材料具有很高的磁导率，以往都使用钴基非晶来制作这类可饱和电感器件，由于Co含量高、价格贵，近年来，通过对Fe基纳米晶合金的成分调整、加工及热处理工艺改进等，研制开发出4Fe基纳米晶合金替代Co基非晶制作这类小尺寸可饱和电感系列铁芯，大大降低了铁芯的成本，满足这类抗噪音干扰器件的市场需求；现在这类铁芯还被推广应用为矩形比要求更高的磁放大器铁芯。

 

横场热处理退火法

    横场热处理退火法制备线性非晶纳米晶合金电感铁芯是借用以往坡莫合金磁场处理方法来加工制作，铁芯磁导率µe主要决定于外加磁场大小。由于这类电感铁芯加工较烦，线性范围不是很大，除对线性度要求很高的电感器件外，大多不使用该方法处理的铁芯用作电感，市场需求量不太大，不多叙述。

 

    无间隙宽恒导电感材料及器件铁基非晶无间隙宽恒导电感器件是Fe基非晶合金材料一个新的应用领域，尽管在八十年代国内外都有这方面研究报道，但未达到工业化、应用化、商品化，九十年代以来美、日、韩等国相继利用美国Fe基非晶合金研制开发非晶合金电感铁芯系列用作高频电感器件如AMC、AMB、AMS等，该电感具有以下性能特点：高频损耗低；磁导率高；饱和磁感Bs高；尺寸小；在一定磁场范围内具有线性磁导率，现已广泛应用在开关电源(SMPS)，DC/DC、AC/DC转换器，UPS，噪音抑制器等。我们在Fe基非晶合金2605S-2基础上研究开发应用这类无间隙宽恒导电感材料，通过材料及加工工艺研究，开发出有效磁导率µe范围200-20000，铁芯规格外径φ16~50mm、内径φ8~30mm、高度8~30mm系列无间隙宽恒导电感器件，满足不同用户的使用要求。