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1、非晶微晶软磁合金系列电感材料及器件的开发应用 Development of Amorphous&Nanocrystalline Soft Magnetic Alloy Materials&Cores for Inductor 摘 要：本文介绍了我所近几年来利用非晶微晶合金优异的软磁性，通过不同的热处理方式和加工方式研制开发应用有效磁导率 从几十到几万的系列电感材料及器件，用作各种电感器件，取得了良好的应用效果。1 前言 非晶合金是采用超急冷技术将液态金属直接冷却形成厚度0.020.04mm的固体薄带，该合金具有独特的性能，如优异的磁性，耐蚀性、耐磨性、高强度和硬度等。随着快淬技术工艺的发展，8
2、0 年代末，日本学者又在非晶化基础上发明了微晶合金材料，不仅保留了非晶合金的性能特点，而且还具有更优异的软磁特性。由于它们性能优异，生产工艺简单，价格低廉，而获得了迅速发展。作为高新技术产品，大量的非晶微晶合金制品正在逐渐替代坡莫合金和高性能铁氧体产品，以满足电子工业向高频、大电流、节能方面发展的需要。常用非晶微晶软磁合金及性见表1。非晶微晶合金家族中应用前景良好的应是铁基非晶和铁基微晶合金材料，它们最佳应用频带是 kHz，这一频段又是今天电子技术发展最为活跃的领域，使得非晶微晶合金材料制成的磁性元器件得到广泛应用。非晶微晶合金材料可以通过热处理工艺、热处理方式及加工技术等来调整改变其软磁特性
3、，使其制成的磁性器件能满足不同场合不同条件的使用要求，拓展其在电力电子领域的应用市场。我所利用该合金材料这一特点研究开发出有效磁导率 从几十到几万非晶微晶合金系列电感材料及器件，用作各种条件的电感铁芯，取得的良好的应用效果、经济效益和社会效益，某些产品填补了国内非晶微晶合金产品的空白。2 非晶微晶合金材料在高频开关电源中应用简述 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
4、转换功率和功率密度等。非晶微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微晶合金磁性器件的研究开发应用工作非常活跃。高频开关电源中使用的磁性器件较多，如图 1 所示，目前常用的器件均为开关电源的核心元件，如功率变压器、电流互感器、共模电感、扼流圈、滤波电感、可饱和电感、尖峰信号抑制器及抗噪音干扰器件等。多年来我们研究开发了多种规格的非晶微晶合金的 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（如表 2所列的应用实例）。这些高新技术产品的成功应用，不仅提
5、高非晶微晶合金材料及器件的技术和生产能力，而且还促使非晶产业化的发展。由图 1 可知，高频开关电源中另一类大量应用的磁性器件是电感元件，尤其是高频大功率大电流开关电源的各类电感器件往往是设计者最难选择的器件之一，价格低廉的硅钢和铁粉芯，频率特性不佳，易发热影响开关管工作；常规高性能铁氧体，饱和磁感和居里点低，往往要增加磁芯尺寸和加大气隙，增加使用困难；选用坡莫合金的电感器件又因其含Ni 量达 5080%价格贵成本高，而且大电流条件下使用的磁粉芯（MPP)基本上依赖进口，性能价格比极不理想。我们选用价格适中性能优异的非晶微晶合金软磁材料，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
6、了有效磁导率 从几十到几万的系列电感材料及器件来满足不同条件的电感特性需要。3 非晶微晶合金系列电感材料及器件的开发应用 3.1 简述 随着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，另外由于常用高频开关电源中的电感器件工作频带在kHz 频带，因而现在非晶微晶合金材料已被广泛用来制作这类电感器件。近年来，我们在前人工作的基础上，大力研究开发应用非晶微晶合金材料系系列电感及器件，不仅开展了较为成熟
7、的横场退火法和带气隙非晶微晶电感铁芯的工作，而且在国内首创铁基微晶合金的磁粉芯的铁基非晶无间隙宽恒导电感器件的研究开发，并使之商品化、系列化，取得良好的应用效果，现已形成有效磁导率 从几十到几万的系列电感材料及器件，满足不同用户的需要。3.2 共模电感及尖峰抑制器 共模电感及尖峰抑制器均为小信号工作状态，要求电感量越大越好。依据 /100(H)式中:有效磁导率 有效截面积/cm2 N绕线匝数 平均磁路长度/cm 由式可知，磁芯的有效磁导率 越高电感量越大，因而非晶微晶合金的共模电感及尖峰抑制器具有以下性能特点：（1）有效磁导率高，电感量大，体积小；（2）矫顽力低，损耗抵；（3）绕线匝数少，分布
8、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。微晶合金共模电感的主要磁性能见表 3 所列。非晶微晶合金的高磁导率，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，具有良好的性能价格比。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 不到一万，而微晶合金的磁导率般可达到 810 万，在同样电感量的要求下，后者的磁芯尺寸只有前者的 1/81/10,而两者的价格差却在 4 倍左右，显然微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1309030mm
9、常规微晶合金磁芯替代了 4 只 1307050mm 高性能铁氧体磁芯，且有一定的性能富余。开关电源的一大缺点是容易产生噪音干扰，其主要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微晶合金来制作这类电感器件，由于 Co 含量高、价格贵，近年来，我们选用 Fe 基微晶合金，调整成分、加工及热处理工艺等，研制开发出 4.5mm 的 Fe 基微晶合金替代 Co基非晶合金制作这类小尺寸电感系列铁芯，大大降低了铁芯的
10、成本，满足这类抗噪音干扰器件的市场需求，年产量达数吨，铁芯产量达千万只以上。3.3 横场热处理退火法 横场热处理退火法制备线性非晶微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 决定于外加磁场大小。这类电感铁芯加工比较麻烦，市场需求量亦不太大，这里不多叙述。3.4 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材料及器件是 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 Alliedsignal 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、A
11、MB、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（参见图 2，3 和 4），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 范围 2002000，铁芯规格外径 1650mm、内径 830mm、高度 830mm 系列无间隙宽恒导电感器件，满足不同用户的使用要求。表 4 列举我们部分研究开发应用实例。3.5 带气隙非晶电感材料及器件 Fe 基非晶合金环开气隙制
12、备成非晶电感材料及器件，张家骥先生曾对此进行系统研究，认为这类电感具有两个主要特点:1.具有高饱和磁感 Bs 可使磁性器件小型化;2.具有良好的高频特性，铁芯损耗发热小;它还具有较好直流叠加特性，线性电感范围大且可通过气隙来调整等特点，参见图 5 和 6。对于大功率大电流高频条件下的电感器件，带气隙非晶电感器件性能价格比远远优于铁氧体和磁粉芯（MPP)，与磁粉芯（MPP）相比，非晶电感的有效磁导率 可达几百，且 Bs 高，同样规格条件下的磁芯电感量可达后者几倍，显然有利于电感器件的小型化，降低成本。与高性能铁氧体相比，由于后者饱和磁感 Bs、饱和磁场 H 和居里温度低，磁芯尺寸差不多是同规格性
13、能的带气隙非晶电感磁芯几倍，即使考虑到价格的不利因素外，带气隙非晶电感器件还是具有一定的竞争力。如在某军用三相电源中，一只 1408035mm 带气隙非晶滤波电感铁芯可替代 6 只以上 1257520mm 的高性能铁氧体。目前铁基非晶环形铁芯开气隙和矩型铁芯切成 C 型电感铁芯，已广泛地用作各种各样的电感器件，尤其是高频大电流大功率逆变电源、开关电源的滤波电感，并已系列化。3.6 Fe 基微晶合金磁粉芯及器件 非晶化基础上获得的 Fe 基微晶合金不仅具有非晶性能特点，而且综合磁性能更优异，且易制粉，为此我们利用其性能特点，研制开发一种新型磁粉芯及器件，用于替代 Fe-Ni 和 Fe-Ni-Mo
14、 类粉芯（MPP)，拓展微晶合金材料应用领域，满足日益增长的电子技术需要，填补国内空白。Fe 基微晶合金磁粉芯具有良好综合软磁性能、高频特性、温度及环境稳定性等，参见表 5、图 7 和 8。该磁粉芯制作的电感元件具有良好的电感量和品质因素 Q值，特别适用作高频大电流大功率条件下的各类开关电流、变换器及功率因数校正（PFC)技术中的扼流圈、滤波电感及贮能电感等。目前 Fe 基微晶合金磁粉芯已研制了外径 1580mm,内径 750mm,高度 525mm 近十种常用规格，有效磁导率 为 35、50、70 和 90 四个品种的系列磁粉芯产品。与其他电感器件相比，该磁粉芯产品主要有下面三个应用特点：（1
15、）高频特性远优于铁粉芯和铁硅铝粉芯；（2）避免非晶微晶开口铁芯处的散磁场和发热问题；（3）与 Fe-Ni-Mo 粉芯相比，同规格性能粉芯价格可降低 30以上。Fe 基微晶合金磁粉芯已成功应用于 UPS 电源的升压环和滤波电感，军用电源变换器的滤波电感及贮能电感，油田用大功率开关电源的滤波电感，150kHz 和 200kHz 开关电源的电感器及功率因数校正（PFC)技术中的电感等，取得令人满意的应用效果。4 结束语 非晶微晶合金材料是一种综合磁性能非常优异的软磁材料，由于其制备工艺独特简单，性能优异，深受电子行业的重视，其合金带材制成的各种各样磁性器件广泛应用于电子变压器和电感器等。文中介绍了我所近几年来利用非晶微晶合金优异的软磁特性，通过不同的热处理方式和加工方式研制开发的有效磁导率 从几十到几万的系列电感材料及器件，以求合理和充分利用该材料的磁性能，所研制开发的各种电感器件，均取得了良好的应用效果。继续阅读