铁硅铝磁芯资料如何在开关电源设计中选择最合适的高功率电感的磁芯

究竟是磁粉芯好，还是铁粉芯好？相信是许多工程师在进行开关电源方案的 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 中经常碰到的疑问。在高功率电感的磁芯选择问题上，磁芯、粉芯、铁硅铝以及铁氧体中的选择和比较是工程师经常探讨的问题。市场上高功率电感的磁芯选择还是挺多的，可供选择的电感材料有：铁硅铝（Kool Mµ）、铁粉芯、铁硅（硅钢叠片）、间隙铁氧体、钼坡莫（MPP）和高磁通 (High Flux)等。那么他们究竟有什么特性适合怎么样的应用呢？ 磁芯材料比较 铁硅铝与间隙铁氧体 铁硅铝和间隙铁氧体是两种常用的材质，在软饱和方面，间隙铁氧体必须在下降曲线的安全区进行设计。铁硅铝 (Kool Mµ)被设计在受控制的下降曲线范围中，这样就能够提供好的容错特性，特别是在高功率时候。 在磁通量比较方面，假设特定的50％下降设计点，铁硅铝(Kool Mµ)的磁通量是间隙铁氧体的2倍以上, 这使磁芯的尺寸可缩小35％，设计时可以把磁芯的尺寸缩小30%至35%。 软饱和曲线使铁硅铝 (Kool Mµ)设计本身具有容错能力，而间隙铁氧体则没有。 铁氧体磁能力随温度变化，而铁硅铝 (Kool Mµ)保持相对稳定。很多铁氧体供应商或者厂家会给出产品在25℃到100℃不同环境下材质的差异。由于铁硅铝的材质及结构和间隙铁氧体不同，随着温度改变，变化不会很大。 在边缘损耗方面，铁硅铝 (Kool Mµ)不会发生边缘损耗，而间隙铁氧体有很大的边缘损耗。铁芯的间隙部分随着温度的增加损耗会增加。铁硅铝(Kool Mµ)也有间隙，但是这是均匀的分布式间隙，因为这个形式，在高功率的应用上会更好。 对于尺寸和储能，从铁硅铝(Kool Mµ)与锰锌铁氧体在LI2值比较中可以看出，当尺寸都是55mm的大小，测试铁硅铝用60µ，铁硅铝(Kool Mµ)在体积大小的情况下，储能大概是锰锌铁氧体的2倍多，如表1所示。 而当储能是一样的时候，LI2值一样，铁硅铝(Kool Mµ)体积缩小了很多，对于设计者来说，这有效缩小了设计尺寸。如表2所示。 表1 铁硅铝 (Kool Mµ) 与锰锌铁氧体之LI2值的比较 表2 铁硅铝 (Kool Mµ) 与锰锌铁氧体尺寸上之比较 间隙铁氧体也有很多优点，间隙铁氧体可以有很高的有效磁导率µeff，铁氧体可以在500 以上而铁硅铝 (Kool Mµ) 目前受限于 µeff = 125。间隙铁氧体使用在一些低功率的设计时更为适合。 间隙铁氧体电感系数的公差值较低，如果工艺好的话，多数的铁氧体电感系数的公差值为 ±3，而铁硅铝 (Kool Mµ) 为 ± 12% 。 间隙铁氧体有较多种类的形状，有Pot Cores、EFD's、PQ's等等，而铁硅铝 (Kool Mµ)形状目前受限于 E-Core、U-Core & Blocks。 铁硅铝与铁粉芯 除了承受直流偏置外，开关稳压电感器还有一定交流电，通常在10kHz至300kHz。这种交流电流会产生高频磁场，造成磁芯损耗并导致磁芯变热。这种情况在铁硅铝(Kool Mµ)中会减少，因此电感更有效率，温度更低。 铁硅铝(Kool Mµ) 的磁芯损耗低于铁粉芯。关于接近零的磁致伸缩问题，铁硅铝(Kool Mµ)非常适用于消除滤波电感中的音频噪音。铁硅铝(Kool Mµ)在制造时没有使用有机粘结剂，因此，没有任何热老化的问题。所有铁硅铝(Kool Mµ)磁芯都能在200 ℃下连续操作，相对的，铁粉芯有磁致伸缩。 铁硅铝与硅铁 大型电感器中也会使用特级的硅铁叠片，通常是块状或条状。硅铁的优势在于饱和磁通密度较高。铁硅铝 (Kool Mµ)形状（E、U、I型的磁芯）也可以经过适当的构造应用于大型电感器。虽然硅铁有较高的饱和磁通密度，但铁硅铝 (Kool Mµ)具备更多优点，例如较好的软饱和度、很低的磁芯损耗、温度稳定性和较低的成本。图1为各种大型铁硅铝器件。 图1 为各种大型铁硅铝器件 硅铁块具有离散间隙，与铁硅铝(Kool Mµ)的分步式间隙不同，因此随着电流增加，饱和出现要快的多。铁硅铝(Kool Mµ) 可利用饱和曲线的优点，设计出较小的电感器。 硅钢装配件中所用的环氧树脂中一般不能像铁硅铝(Kool Mµ)在200 ℃操作。 铁硅铝(Kool Mµ)成本低于同等大小的硅钢块。 在铁损的部分，铁硅铝 (Kool Mµ)的磁芯损耗远低于硅钢叠片。用20µ铁硅铝和硅铁相比较，在10kHz和50kHz的频率情况下，硅铁的磁损更厉害。 铁硅铝的特点和应用 铁硅铝(Kool Mµ)是什么呢？简单来说，它是由铝-硅-铁组成，它拥有相当高的Bmax(1050mT)，它的磁芯损耗远低于铁粉芯及高磁通，有低磁致伸缩（低噪音），是低成本的储能材料，无热老化，可以用于替代铁粉芯，在高温下性能非常稳定。 总结一下铁硅铝的特点：适当的成本，优于钼坡莫合金/高磁通以及复合合金；较低的损耗，优于铁粉芯；高饱和度，优于间隙铁氧体；接近零的磁致伸缩，优于铁粉芯；无热老化现象，优于铁粉芯；软饱和，优于间隙铁氧体及复合合金。 铁硅铝(Kool Mµ)有六种磁导率（26μ、40µ、60µ、75µ、90µ和125µ）和三种形状 Toroids、 E core、 U core & Blocks。 铁硅铝应用包括功率因数校正扼流圈，升压/降压稳压器，直流输出电感器和回扫变压器。 大型铁硅铝 Kool Mµ®应用在高电流 (功率)电感器、太阳能转换、UPS 不断电系统、混合动力汽车、风能转换和其他高电流应用。 除了大型铁硅铝，如图1所示还有一些平版型的铁硅铝。平版型的铁硅铝器件如图2所示。 图2 平版型铁硅铝 平版型的铁硅铝有两种选择，有传统的方型和圆形。如图3所示。 图3 方型和圆形的铁硅铝 相对方型的，圆形的有诸多优点，比如缩小整个电感器因绕制而增加的体积，在相同的匝数下减少绕线线长的使用，最小化的DCR (直流电阻），降低铜损，降低使用铜导线上的成本和整个电感器的绕制成本。 铁硅铝Kool Mµ (平板形) 的特点有应用于高电流的设计、漏磁减少至非常低、较佳的直流偏置特性、良好的散热效果和温度稳定性、具存储能量的高性能、可直接安装在PCB上。铁硅铝Kool Mμ( 平板形) 的应用有在DC / DC转换器、大电流扼流圈、电脑中的中央处理器圈。 综上所述，在磁芯的选择上，要着重注意四个问题：第一，选择合适的磁芯材料，铁硅铝（Kool Mµ）、钼坡莫合金、高磁通、铁硅合金或铁氧体，第二，选择合适的磁芯尺寸，包括形状和大小；第三，选择时要注意绕制上的考量，比如电流密度、绕线的长短和匝数；第四点，选择时要兼顾性能和成本。 更多详细内容，敬请浏览：http://seminar.eccn.com/090217/tindex.asp 问答选编 问：铁硅铝磁芯适用的频率范围为多少？ 答：铁硅铝磁芯的应用频率可以高达20MHz的频率，但通常人们会使用约100kHz至500kHz的频率在他们的设计中。 问：铁硅铝的形状是否可以按照客户的要求定制？ 答：可以定制，但是具体尺寸是否真正能够提供要看具体需求。 问：铁硅铝在噪声抑制方面有什么优越性吗？ 答：相对于铁粉芯，铁硅铝减少了高频应用时的噪声，拥有很低的磁致伸缩。 问：铁硅铝的最大工作和储存温度为多少？ 答：由于涂层的关系，铁硅铝的最高温度为200℃，而磁芯本身可以高达500℃的温度。 问：现在有哪些比较好的针对电感性能测试的工具或者手段？ 答：LCR仪表（HP4284）可以为您提供非常精确的电感测量。磁芯损耗仪表（Yokogawa）可以提供很准确的核心损耗测量。 问：从目前来看哪类磁芯较有发展前景？ 答：这取决于你需要什么样的额定功率，对于低功率应用，铁氧体磁芯会比较适合，而在高功率应用上，铁粉磁芯和非晶磁芯将会比较适合。 问：除了在材料选择，还应该在哪些方面进行成本控制？ 答：材料决定特点和性能，而成本取决于材料。 问：较大的直流偏场下，要保证电感值的最小直流漂移可选择哪种磁芯？ 答：非晶磁芯。 问：同等功率的变压器设计中，铁硅铝与铁氧体相比，成本和体积上有何优势？ 答：成本由材料决定，铁硅铝相对于气隙铁氧体大小可以减少约30％~35％。