高频磁性元件与磁性材料 陈为博士 chw@fzu.edu.cn 福州大学电气工程与自动化学院教授, 博导中国电源学会常务理事, 专家委员会副主席, 变压器与电感器专委会主任委员 第十一届电源网技术交流大会上海 年 7 月 日
主要内容 磁性材料的分类 软磁材料的主要参数和特性 高频磁性元件对磁材特性的要求 主要的高频磁性材料及其特点 磁性材料的损耗测量 磁性材料的发展
磁性材料的分类 软磁材料 H c H μ r 大, 易磁化 易退磁 ( 起始磁化率大 饱和磁感应强度大, 矫顽力 (Hc 小, 磁滞回线的面积窄而长, 损耗小 (Hd 面积小 H c 导磁作用, 用于继电器 电机 以及各种功率变换器高频磁件的磁芯 硬磁材料 H c H 矫顽力 (Hc 大 (> A/m, 剩磁 r 大, 磁滞回线的面积大, 损耗大 H c 偏磁作用, 磁电式电表 扬声器和永磁电机中永磁铁 矩磁材料 r 接近 S,H c 小, 磁滞回线呈矩形, 损耗小 H c H 用于两态记忆元件,+/- 脉冲 H>HC/H<- HC, 使得磁芯呈 +/- 态, 可做为二进制的两个 H c 态 做磁放大器 (Magamp 磁芯
电气参数 磁材料的基本参数 r: Residual Flux Densiy s: Sauraion Flux Densiy Hc: Coercive Force Normal Magneizaion Curve { Minor Loop Slopeμmax: Max. Permeabiliy Slopeμi: Iniial Permeabiliy H SlopeμΔ: Incremenal Permeabiliy 起始磁导率 : μ i μi μ ΔH ΔH Δ 幅值磁导率 : μ a μ a Hˆ Δ 3 增量磁导率 : μ μδ μ ΔH H DC μ 4 复数磁导率 : μ s μ s μ s jμ s ˆ Ls Rs m: Max. Flux Densiy μ p μ ' p j μ '' p Lp Rp α β 损耗参数 K f ( C + C T + C P CV T 机械物理参数 磁滞伸缩系数 弹性模量, 热伸缩系数, 导热系数等 音频噪声的主要来源
磁性材料的电气特性参数 Ferrie-3F3 Frequency Complex permeabiliy wih fs Temperaure DC bias Iniial permeabiliy wih T Incremenal permeabiliy wih HDC
磁性材料的损耗特性参数 损耗的频率和磁密特性 损耗的温度特性 (Ferrie
铁芯的损耗 ( 磁滞损耗 c H b b e P in ( i u d ( ( NAe d Ae le H d a c b a H l N d d P ( i u d A l H d ou e e b b c b a d a e u i u( a b T/ i( c e T d 磁滞损耗大小取决于铁磁材料本身的品质 磁滞损耗大小与激磁工作频率成正比 磁滞损耗大小与磁通密度大小的平方成正比
铁芯的损耗 ( 涡流损耗 J eddy source σ π ρ π ρ π ρ π ρ π π ρ π ρ π π π φ _ 3 3 3 3 3 3 4 4 4 4 4 4 leae f le Ae f dz dr r f drdz r f P drdz r f drdz r r f S l r f dr U dp r f d d U face r le eddy, f Ae le σ π Ae le f P ddy e 涡流损耗大小取决于铁磁材料本身的电导率 涡流损耗大小与激磁工作频率的平方成正比 涡流损耗大小与磁通密度大小的平方成正比
磁芯损耗模型 -Seinmez Model P CV C m f α β ( C + C T + C T Core loss is relaed o: Maerial grade Frequency Temperaure Flux densiy DC bias Exciaion waveform
磁芯损耗的温度特性 温度对铁氧体的损耗影响很大 不同材料有不同的温度特性曲线 注意设计工作温度的范围
磁芯带气隙特性 l c Β i l c Β i μ c u l a μ c u m m 磁化曲线 r Hc IN r Hc IN 磁导率 μ c μ e μ c + la μ l a c 剩磁密度 r ' r + l l a c H r c μ + la l c μc μ r μe μ c
磁性材料的性能因子与材料选择 P hr N A I ( f f. : Maerial performance facor p e p 5 EPCOS Pcv5 kw/m3 f*(hzt Pcv kw/m3 Pcv3 kw/m3 N49 5 N97 f(khz
磁性材料的储能特性与材料选择
T w d d d min max ( 加权平均磁密变化率 sin min max sin ( f w π + + k k k k k warb min max ( ( w + + k k k k k f min max sin ( π e ac m s c V T C T C C f C f P + + ( sin β α v( V PWM 波形激励下的磁芯损耗 D Pc_pulse Pc_sin k Power loss facor, k, wih same m and fs α.7 α.4 k @ D.83 D
直流偏磁对磁芯损耗的影响 Core loss model Kdc ac 3ac P ( + K e K ac ac fs ( K τ + K τ + K 3 c dc dc ac K K -H Loop @ fskhz, acmt, To 3.5 9 59.5 9 3.5 9 59.5 9.37.37.37.37.37.37.7.7.7.7.7.7 k.75 k.75 k.75.3.3.3..... 3.5 9 59.5 9.... 3 H k 9 3 H k 9 3 H k 9 Hdc, Pc54 (kw/m 3 Hdc6.93A/m, Pc56( kw/m 3 Hdc3.85A/m, Pc56 (kw/m 3 3.5 9 59.5 9 3.5 9 59.5 9.37.37.37.37.37.37.7.7.7.7.7.7 k.75 k.75 k.75.3.3.3..... 3.5 9 59.5 9.... 3 H k 9 3 H k 9 3 H k 9 Hdc.77A/m, Pc584 ( kw/m 3 Hdc7.69A/m, Pc65 (kw/m 3 Hdc34.6A/m,Pc647 ( kw/m 3
铁粉芯的老化问题 铁芯损耗随时间的变化曲线 %Q 随时间变化曲线 电感失效
铁粉芯的老化机理 Micro eddy currens in each paricle Macro eddy currens among paricles Core losses Eddy-curren losses Hyseresis losses Micro eddy curren losses Macro eddy curren losses
高频磁元件与磁性材料考虑 TX SR L CMC DMC PFC DA TX Pcv s r μ i (f μ Δ (Id c μ a (
高频磁芯损耗的测量 - 交流 I*V 法信号发生器高频功率放大器 DUT 通讯 u( i( 示波器 ( 数据采集 电流采样 Chamber 计算机 cv e Ts e e Ts e e Ts core P V d H l A d N l H d d N A Ts d i u Ts P ( ( ( ( ( ( ( i K l N i H H e + + T T e d u K d u A N ( ( (
高频磁芯损耗测量的误差分析与困难 P U I cos θ i( ΔP P ΔU U + ΔI I + g ( θ Δθ u( High-frequency Large Δθ Δ*f Large signal Large Δ Low Loss θ approaches o 9 u( i( 6 g (θ π 8 i(*u( 4 8 8 8 83 84 85 86 87 88 89 9 8 θ 9 π
磁芯损耗测量 v.s. 气隙 / 磁粉芯 铁氧体高磁导率材料 有气隙铁氧体或低磁导率磁粉芯 cos θ P U I Β i u Β i u U 保持不变, 不变, P 不变, 但由于电感大,I 很小, 所以 cosθ 较高, 误差较小 U 保持不变, 不变, P 不变, 但由于电感降低,I 增大, 所以 cosθ 降低, 误差增大 Maerial Magneics HF6 (T. f(kh z 5 μ r 6 Pcv(kW/m3 4 θ ( o 88.9 Powder Magneics XFlux6 Magneics KM6.. 5 5 6 6 6 36 88.4 89. Magneics MPP6. 5 6 5 89.6 Ferrie Ferroxcube 3C96 Ferroxcube 3C96.. 55 55 3 4 8.6 85.
软磁磁芯材料概述 粉芯磁材料 ( 粉材 Fe ( 铁粉芯 MPP ( 高通铁镍合金 High Flux ( 高通铁硅铝合金 Kool Mu ( 铁镍钼合金 Fe-Si ( 铁硅合金 铁氧体磁材料 ( 块材 Mn-Zn Ni-Zn 非晶磁材料 ( 带材 Silicon seel ( 硅钢片 Permalloy ( 玻膜合金 Amorphous ( 非晶
粉芯磁材料的结构 Alloy paricle Flux uneven higher core loss Min. polymer needed for forming Lower μ Inorganic coaing (oxide, SiO, ec Polymer binder Powder congluinaion more eddy curren Polymer Lower max. emperaure (4-7 Force sress Poor μ consisency (>% Disribued air-gap Lower winding losses Disribued air-gap Larger Hdc
粉芯磁材料的饱和特性比较 s.5...8.4 Pure iron High flux Kool m MPP Ferrie
粉芯磁材料的损耗特性比较
非晶带材磁材料 保护层 Thin hickness (.5-5 mils Lower eddy curren losses Crispy Difficul in making and winding Annealing needed o reduce sress by ape winding Very poor μ consisency (>-% High permeabiliy High sauraion level (.6-.5T Tape maerials: Permalloy ( 玻莫合金 8%Ni+%Fe Amorphous: 非晶 -- 铁基 (.4-.7T, 钴基 (s:.6-.8t Fe-based nanocrysalline: 纳米晶 Crysalline Amorphous Nanocrysalline
非晶带材磁材的基本制程 Maerial 3 Waer cooled wheel Cooling speed: M Kelvin/S Speed: Km/h Thickness: 7-5μm
铁氧体磁材料 是由 Fe O 3 和其他二价的金属氧化物 ( 如 NiO,ZnO 等粉末混合烧结而成 具有高磁导率 高电阻率 适合于高频应用 Mn-Zn Ferrie (FeO3 + MnO + ZnO: High-permeabiliy, Lower resisiviy, More eddy curren loss Ni-Zn Ferrie (FeO3 + NiO + ZnO: Low-permeabiliy, Higher resisiviy, More hysereic loss
铁氧体磁材料的发展 High s PC8x Under Developmen PC33 44mT Mn-Zn ferries for power applicaions High s & Low Loss Qualiy consancy 4mT PC3 PC9 PC4 45 mt 3 kw/m 3 Nano-Tech PC44 4 kw/m 3 PC47 3 kw/m 3 Low Loss PC9x 5 kw/m 3 Under Developmen.5MHz,5mT PC5 PC45 75.5-MHz 5-mT PCx High Freq Under Developmen High Field PC46 45 Qualiy consancy new! PC95 5-5 Temp. endency
Thanks! Q & A