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銘磁電子非晶納米晶系列電感的開發應用

瀏覽次數:日期:2018-09-04 16:04:39

 非晶納米晶磁環與共模電感、可飽和電感的開發應用
 
簡述
     隨著電子信息產業的迅速發展,高頻開關電源的三大主力市場:通信、計算機和消費電子也將得到迅速發展。無論是AC/DC或DC/DC電源,除功率晶體管外,由高性能磁性材料制成的主變壓器、扼流圈及其他電感器(如抗噪聲濾波器)是極重要的元件,其磁性能和尺寸直接關系到電源的轉換功率和功率密度等。
     
     非晶納米晶軟磁合金材料的帶厚和電阻率決定其最佳應用頻率范圍是KHz頻帶,正好與目前高頻開關電源頻帶相重合,所以高頻開關電源用非晶納米晶合金磁性器件的研究開發應用工作非常活躍。多年來我們不僅研究開發了多種規格的非晶納米晶合金的O型、C型、CD型等開關電源功率變壓器鐵芯應用在中頻電源、逆變電源、程控交換機及逆變焊機用電源變壓器等,而且通過熱處理方法、工藝及加工技術等來調整其軟磁特性,研制開發了有效磁導率µe從幾十到幾萬的系列電感鐵芯來滿足高頻開關電源中另一類重要的磁性器件——電感特性需要,尤其是高頻大功率大電流開關電源的各類電感器件。這些高新技術產品成功應用,不僅提高非晶納米晶合金材料及器件的技術水平和生產能力,而且還促進非晶產業化的發展。
 

     高頻技術的廣泛應用,人們對電磁兼容(EMC)、噪音污染等問題越來越重視,抗EMI技術現已成為一門新型的技術和新型的產業,解決電子設備的電磁兼容性更加迫切,各種各樣的抗電磁干擾抑制噪音等磁性器件得到廣泛應用,這些器件的關鍵元件之一就是電感器件。
 
     我們利用非晶納米晶合金材料的性能特點并結合前人的工作基礎,研究開發應用非晶納米晶合金材料系列電感器件,不僅開展了較為成熟的橫場退火法和帶氣隙非晶納米晶電感鐵芯的工作,而且在國內首創鐵基納米晶合金的磁粉芯和鐵基非晶無間隙寬恒導電感系列化產品器件的研究開發,取得良好的應用效果,現已形成有效磁導率µe從幾十到幾萬的系列電感鐵芯產品,滿足不同用戶的需要。
 
  
共模電感及可飽和電感等

共模電感、可飽和電感及尖峰抑制器等均為小信號工作狀態,要求電感量越大越好。依據L=0.4πµeN2Se/100×l(µH)式中:µe:有效磁導率S:有效截面積(cm2)N:繞線匝數.


l:平均磁路長度(cm)由此可知,同樣尺寸規格的磁芯,有效磁導率µe越高電感量越大,因而非晶納米晶合金制備的共模電感、可飽和電感及尖峰抑制器等具有以下性能特點:
1. 有效磁導率高,電感量大,體積小;
2. 矯玩力低,損耗低;
3. 繞線匝數少,分布電容小;
4. 高飽和磁感,處理噪音尖峰效果好;
5. 居里點高、溫度穩定性好;
6. 良好的頻率特性;非晶納米晶合金的高磁導率,可以大大減小共模電感及尖峰抑制器的磁芯尺寸,尤其上在大電流大功率使用場合,選用該類合金用作共模電感磁芯,具有良好的性價比。即使與廉價的高性能鐵氧體相比也不遜色,一般這類鐵氧體的磁導率µe在1萬左右,而鐵基納米晶合金的磁導率一般可達8~12萬,同樣電感量的要求下后者的磁芯尺寸只有前者的1/8~1/10,而兩者的價格差在6倍左右,顯然鐵基納米晶合金具有一定的競爭力。如在某軍用三相開關電源中,工作電流為100A,一只φ130×φ90×30mm常規微晶合金磁芯替代了4只φ130×φ70×50mm高性能鐵氧體磁芯,且有一定的性能富余。由于開關電源技術的廣泛應用,抗電磁干擾的共模電感已是許多電子設備中必不可少的器件,除考慮50Hz的工頻外,還對高頻性能有一定的要求,采用具有高磁導率低Br非晶納米晶材料制作這類電感器件將是最佳的選擇。

表一. 鐵基納米晶合金共模電感的磁性能
Table 2 The magnetic characters of Fe-based nanocrystalline alloy for common inductor


 

 
     開關電源的一大缺點是容易產生噪聲干擾,其噪音主要上由于開關功率管和開關整流管中快速變化的高壓切換電流和脈沖短路電流引起的,現在大多采用非線形飽和電感來抑制反向恢復電流尖峰的辦法來抑制噪音。這類尖峰抑制器中的電感器件體積小電感量大,因而要求電感磁芯材料具有很高的磁導率,以往都使用鈷基非晶來制作這類可飽和電感器件,由于Co含量高、價格貴,近年來,通過對Fe基納米晶合金的成分調整、加工及熱處理工藝改進等,研制開發出4Fe基納米晶合金替代Co基非晶制作這類小尺寸可飽和電感系列鐵芯,大大降低了鐵芯的成本,滿足這類抗噪音干擾器件的市場需求;現在這類鐵芯還被推廣應用為矩形比要求更高的磁放大器鐵芯。
 
橫場熱處理退火法

      橫場熱處理退火法制備線性非晶納米晶合金電感鐵芯是借用以往坡莫合金磁場處理方法來加工制作,鐵芯磁導率µe主要決定于外加磁場大小。由于這類電感鐵芯加工較煩,線性范圍不是很大,除對線性度要求很高的電感器件外,大多不使用該方法處理的鐵芯用作電感,市場需求量不太大,不多敘述。
 
      無間隙寬恒導電感材料及器件鐵基非晶無間隙寬恒導電感器件是Fe基非晶合金材料一個新的應用領域,盡管在八十年代國內外都有這方面研究報道,但未達到工業化、應用化、商品化,九十年代以來美、日、韓等國相繼利用美國Fe基非晶合金研制開發非晶合金電感鐵芯系列用作高頻電感器件如AMC、AMB、AMS等,該電感具有以下性能特點:高頻損耗低;磁導率高;飽和磁感Bs高;尺寸小;在一定磁場范圍內具有線性磁導率,現已廣泛應用在開關電源(SMPS),DC/DC、AC/DC轉換器,UPS,噪音抑制器等。我們在Fe基非晶合金2605S-2基礎上研究開發應用這類無間隙寬恒導電感材料,通過材料及加工工藝研究,開發出有效磁導率µe范圍200-20000,鐵芯規格外徑φ16~50mm、內徑φ8~30mm、高度8~30mm系列無間隙寬恒導電感器件,滿足不同用戶的使用要求。
 

 

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