在電子技術的不斷發展中，電子變壓器作為基礎電子材料的軟磁材料，尤其是鐵氧體軟磁材料也得到了極大的發展，而且根據其具體的應用分化出多種子類，這就給電子變壓器電路設計工程師的選材帶來了困擾。為此下面文章主要從軟磁材料的基本特性出發，針對不同的應用場合，結合多年的工作實踐心得，針對金屬磁粉心尤其是軟磁鐵氧體材料選型給出了一些建議。

　　關鍵詞：電子變壓器,磁心,軟磁材料,選材

　　1引言

　　軟磁材料門類很多，軟磁鐵氧體是其中重要的成員,軟磁材料又可分為金屬和鐵氧體軟磁兩個大的門類。作為功率電感或主變壓器磁心，金屬軟磁多用在50kHz以下，而在50kHz以上的電子變壓器中，多用軟磁鐵氧體磁心。由于鐵氧體軟磁自身高頻損耗很低，在200kHz以上高頻場合，電子變壓器選材基本上全是鐵氧體軟磁，隨著技術的進步，有些軟磁鐵氧體的應用頻率可達數MHz以上。軟磁鐵氧體種類繁多，性能各有側重，在不同場合下，對它們的選型使用，是發揮其優勢性能的關鍵。

　　2選材依據：金屬磁粉心與軟磁鐵氧體體電阻率的對比

　　在20～200kHz頻率范圍內，金屬磁粉心和軟磁鐵氧體磁心有一定的重疊應用區域，有必要對它們的主要特點進行一些對比。金屬磁粉心顆粒較粗，顆粒間的絕緣是靠樹脂等包覆層來實現的，而鐵氧體材料PC44磁心晶粒之間的絕緣是靠高阻的玻璃態晶界，這個高阻的晶界是在高溫燒結情況下通過固相反應形成的。MnZn功率鐵氧體的體電阻率一般在1～20Ω·m之間，而NiZn鐵氧體的體電阻率一般在105Ω·m以上。在高頻下鐵氧體軟磁的損耗要比金屬磁粉心小得多，MnZn鐵氧體是電子變壓器最常用的磁心材質。

　　所以在50kHz以上，功率鐵氧體自身的高頻損耗明顯低于磁粉心，但功耗不是電子變壓器選材的唯一標準，還有飽和磁通密度Bs與抗直流疊加能力等。金屬磁粉心的Bs值，如鐵硅材料，一般可達1T左右，遠高于MnZn鐵氧體材料。對某些應用，磁心損耗變得不那么重要，而Bs和直流疊加特性才是首先要考慮的。即不同的應用材料選型著重點是不一樣的。

　　3選材依據：磁心工作狀態3.1磁心工作在B-H回線的第一象限

　　在200W以下場合，應用非常廣泛的反激式拓撲的電源，這種拓撲不需要輸出濾波功率電感，開關管關斷電壓應力也容易處理，加上成本較低，在中國、歐盟等220V市電電壓的區域市場廣泛應用。先來看斷續電流工作狀態下的反激式變壓器。主變壓器磁心磁通工作在Bm和Br之間，磁心置位復位所包圍的回線面積僅為整條B-H回線在第一象限中的一部分，相比于工作在整條磁滯回線上而言，這種情形下磁心的鐵損只有30%～40%。

　　如某款功率磁心在頻率f=100kHz,在Bm=200mT的高頻交流電流激勵下，100℃的Pcv為450kW/m3，那么在同樣頻率下，工作在B-H回線第一象限，磁心的Pcv則不大于168kW/m3。這種應用情形下，在選材時，磁心的損耗要求固然重要，而對磁心的直流疊加特性要求也同樣重要，功耗和疊加指標都要關注。因為工作在B-H形和對應的磁滯回線工作區間。

　　在開關管導通階段，原邊線圈中電流斜坡上升，磁心從+Br被激勵到最大工作磁密+Bm，磁心被磁置位;當開關管關斷時，原邊電流關斷，副邊產生反激電流，即圖中上方的三角波，從峰值沿斜坡下降，將儲存的磁場能轉化為電能傳給負載，磁心中的磁密從+Bm下降到+Br，磁心被磁復位。回線第一象限，磁心中的直流偏磁場也是比較大的。我們再來分析一下對直流疊加要求更高的場合，工作在電流連續模式下的反激式變壓器，它的原邊和副邊的工作電流與電流斷續模式不同，電流沒有過0點。

　　這種情況下直流分量要遠大于電流斷續模式。磁心的抗直流疊加能力一定要強，為避免直流飽和，要開合適的氣隙。工作在這種狀態下的磁心損耗很小，這時磁心根本不退磁到Br，而是在Bm1和Bm2之間來回激磁退磁，所以磁通擺幅ΔB=Bm2-Bm1很小，而直流偏磁場卻很大。直流磁場不會在磁心中產生鐵損，磁心的鐵損與磁密擺幅ΔB的關系則很大，以風華磁材的PG242(相當于TDK的PC44)為例，其鐵損Pcv=f1.87B2.78，即磁心的鐵損是與磁密擺幅ΔB的2.78次方成正比的，磁密擺幅ΔB減小，鐵損會大幅減小。

　　無論是磁粉心還是鐵氧體，只有交流成分才會使磁心產生鐵損，直流成分不會在磁心中產生鐵損。這種情況下，磁心材質的選擇應優先考慮材料直流疊加特性，而將磁心鐵損降到第二位。這時，適合選擇高Bs的抗直流疊加材料，如TDKPC90，JFE的4H45、4H47，風華磁材的PG182A、PG182B、PG182C等。

　　在較大的功率下，也可選擇選擇磁粉心，磁粉心鐵損大的缺點已無關緊要，而其抗直流偏置能力強的優點卻得以突顯。磁飽和會使得原邊電流不再沿斜線上升，而是在末端發生了圓弧上翹，因為磁心飽和會導致原邊線圈電感量下降，而電感量下降使得電流波形上翹，很有可能導致這樣的結果：上翹的電流使得磁心進一步在開關管導通末端時深度飽和這又使電感量進一步下降，如此惡性循環，直至線圈中電流超限發生“燒機”。這時就要關注磁心材質的Bs是否足夠高，直流疊加能力是否足夠強，磁心中柱氣隙長度設計是否足夠深這些問題。

　　3.2磁心工作在整個B-H磁滯回線上

　　現在我們再來看一下磁心工作在整條磁滯回線下的情形。如300W以上，常用的全橋拓撲及原邊電流波形。對于全橋拓撲原邊的電流波形，電流正負對稱其原邊電流波形為正負對稱，全周期電流平均值為0，即沒有直流分量。這種應用場合下磁心工作在整條磁滯回線上，沒有直流偏磁場。這時，由于沒有直流偏置，磁心可以不開氣隙。磁心的鐵損很大，發熱嚴重，因此鐵損往往是瓶頸，所以要將磁心的低損耗指標放在第一位，對Bs的要求可以降低。優選如TDK的PC47、風華磁材的PG252A材料等。

　　4選材依據：平衡工作溫度與磁心功耗-溫度曲線的匹配

　　對于變壓器平衡工作溫度與磁心功耗溫度黃線的匹配，選材非常重要，即功率材料的功耗谷點最好與開關電源主變壓器的工作平衡溫度接近，這樣可獲得最佳的電源效率，因為無論對于PC40、還是PC44、PC47，或者是PC90、3C92等功率材料，對于其Pcv-T曲線，不是功耗谷點的溫度上，其自身功耗值較高。

　　PC47在25℃的功耗接近700kW/m3，是相當高的功耗值。若要求變壓器在輕載或者低溫時有很低的損耗，應該選擇PC95類的材料，如風華磁材的PG312、PG312B(高Bs型PC95類材料)。PC95類具有從低溫到高溫很寬的溫度范圍內，具有很平坦(或稱淺碟形)的Pcv-T曲線，在電子變壓器輕載時，磁心工作平衡溫度在室溫附件，若選用PC45材料，它在20℃的功耗高達600kW/m3左右，而PC95材料不到400kW/m3，磁心自身功耗下降了近1/3。

　　在電子變壓器重載時，磁心的平衡工作溫度往往會達到100℃以上。例如PC45材料在120℃下Pcv為650kW/m3左右，而PC95材料只有350kW/m3左右，兩者相差極大，這種情況下應選擇PC95材料，這充分體現了磁材選型要與電路實際使用情況相匹配的重要性。4H45、4H47這種高溫高Bs材料是通過犧牲低功耗來實現高的，隨著技術的進步，現在有廠家開發出損耗低而Bs又高的MnZn低功耗材料，如若這樣，設計師選材就容易多了，可以實現“懶人設計”了。但是“懶人材料”的價格成本往往也水漲船高，具體還要看相關的設計工程師的取舍了。

　　5結語

　　雖然變壓器電路拓撲結構很多，但磁心的工作狀態一般只有這三種(不考慮磁放大工作狀態)，應根據磁心的工作狀態來選擇合適的材質。總之，磁心的工作狀態取決于電流激勵方式，而電流激勵方式取決于電路拓撲，磁心材質的選擇取決于磁心的工作狀態。

　　參考文獻：

　　[1]AbrahamIPressman(王志強等譯).開關電源設計[M].北京:電子工業出版社,2005.

　　[2]趙修科.磁性元器件分冊[M].沈陽:遼寧科學技術出版社,2002.

　　推薦期刊：變壓器(月刊)創刊于1964年，由沈陽變壓器研究院主辦。主要刊載變壓器、互感器、電抗器和調壓器類產品的技術文獻資料。