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高频磁性元件与磁性材料

陈为博士

[email protected]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 2010年07月10日

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

主要内容

cH−

cH

μr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（HdB面积小）。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。

矫顽力(Hc)大（>102A/m)，剩磁Br大，磁滞回线的面积大，损耗大。

偏磁作用，磁电式电表、扬声器和永磁电机中永

磁铁。

Br接近BS ，Hc小，磁滞回线呈矩形，损耗小。

B

H

B

HcH−

cH

B

HcH−

cH 用于两态记忆元件，+/-脉冲H>HC/H

Slope=μi:Initial Permeability

Slope=μmax:Max. Permeability

Br:ResidualFlux Density

Bs:SaturationFlux Density

﹛

Hc:CoerciveForce

NormalMagnetizationCurve

Minor Loop

Slope=μΔ:Incremental Permeability

H

B

Bm: Max. Flux Density

1) 起始磁导率: μi00

1

→ΔΔΔ

=H

i HB

μμ

3) 增量磁导率: μ△DCH

HB

ΔΔ

=Δ0

1μ

μ

Ls Rs

2) 幅值磁导率: μa HB

a ˆˆ1

0μμ =

4) 复数磁导率: μs sss jμμμ ′′−′=

Lp

Rpppp

j '''111

μμμ−=

磁材料的基本参数

电气参数

损耗参数 )( 2210 TCTCCBfKPCV ⋅+⋅+⋅⋅⋅= βα

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

Complex permeability with fs

Initial permeability with T Incremental permeability with HDC

Ferrite-3F3Frequency

DC bias

Temperature

磁性材料的电气特性参数

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（Ferrite）

铁芯的损耗 (磁滞损耗)

H

B ∫ ⋅=b

ain dtuiP )( ∫ ⋅

⋅=

b

ae

e dtdtdBNA

NlH )()( ∫ ⋅⋅=

b

aee dBHlA

ui

a

b

c

d

e

TT/2a

b

c

d

e

i(t)u(t)0

∫ ⋅=c

bout dtuiP )( ∫ ⋅⋅=

c

bee dBHlA

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)

Jeddy

Bsource

σπρ

π

ρπ

ρπ

ρπ

πρ

π

ρ

π

ππφ

222222

_

00

32233223

3223

4224

0

0

4224

0

20

20

22

22

2

244

2

leAeBfleAeBf

dzdrrBfdrdzrBfP

drdzrBf

drdzr

rBf

Sl

rBfdRUdP

rBfdtdU

facerle

eddy

==

==

=

===

∗∗==

∫ ∫∫∫

B, f

Ae

le

σπ ⋅⋅⋅= 2222

AeleBfP ddye

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

Core loss is related to: Material grade Frequency Temperature Flux density DC bias Excitation waveform

磁芯损耗模型-Steinmetz Model

)( 2210 TCTCCBfCP mCV ⋅+⋅+⋅⋅⋅=βα

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

i

u

Β i

u

Β

la

lc lc

μc μc

B

IN

B

INBr

Hc

Bm’Bm

Br’Hc’

c

er

c

c

a

c

r

c

ar B

ll

HB

llB μ

μ

μμ

μ

⋅=+

=+

=

00

'

1

111

1

ca

a

ce ll⋅

+=μμμ

11

rB

cμ1 磁导率

剩磁密度

磁化曲线

)( BfIANP pepthr ⋅⋅⋅⋅= f .B: Material performance factor

Pcv=100 kw/m3

Pcv=300 kw/m3

Pcv=500 kw/m3

N49

N97

0 1000

5000

50000

f*B

(HzT

)

f(kHz)

EPCOS

磁性材料的性能因子与材料选择

磁性材料的储能特性与材料选择

∫−= Tw dtdtdB

BBB 2

minmax

)(1加权平均磁密变化率

sin

2

minmaxsin 2)( fBBBw ⋅⋅−=

π ∑ −−

−=

+

+

k kk

kkwarb tt

BBBB

B1

21

minmax

)()(

1

wB

∑ −⋅−−

=+

+

k kk

kk

ttBBBBf

1

2

minmax

12sin

1)(2π etttacmsc VTCTCCBfCfP ⋅⋅+⋅+⋅⋅⋅⋅=

− )( 22101

sinβα

t

v(t)

V

B

PWM波形激励下的磁芯损耗

D

Pc_pulsePc_sin

k=

Power loss factor, k, with same Bm and fs

α=1.7

α=1.4

k=1 @ D=0.283D

B-H Loop @ fs=100kHz, Bac=200mT, To=100℃

32 1.5 29 59.5 900.22

0.12

0.023

0.075

0.17

0.27

0.370.37

0.22−

Bk

9032− Hk

32 1.5 29 59.5 900.22

0.12

0.023

0.075

0.17

0.27

0.370.37

0.22−

Bk

9032− Hk

32 1.5 29 59.5 900.22

0.12

0.023

0.075

0.17

0.27

0.370.37

0.22−

Bk

9032− Hk

32 1.5 29 59.5 900.22

0.12

0.023

0.075

0.17

0.27

0.370.37

0.22−

Bk

9032− Hk

32 1.5 29 59.5 900.22

0.12

0.023

0.075

0.17

0.27

0.370.37

0.22−

Bk

9032− Hk

32 1.5 29 59.5 900.22

0.12

0.023

0.075

0.17

0.27

0.370.37

0.22−

Bk

9032− Hk

Hdc=0, Pc=504 (kw/m3) Hdc=6.93A/m, Pc=506( kw/m3) Hdc=13.85A/m, Pc=526 (kw/m3)

Hdc=20.77A/m, Pc=584 ( kw/m3 ) Hdc=27.69A/m, Pc=605 (kw/m3) Hdc=34.62A/m,Pc=647 ( kw/m3)

Core loss model )()1( 322

111322

tttK

sK

acacKB

dcdcc KKKfBKeBKP acacdc

ac

++⋅⋅⋅⋅⋅+=−

ττ

直流偏磁对磁芯损耗的影响

铁芯损耗随时间的变化曲线 %Q 随时间变化曲线

电感失效

铁粉芯的老化问题

Macro eddy currents among particles

Core lossesEddy-current losses

Hysteresis losses

Micro eddy current losses

Macro eddy current losses

Micro eddy currents in each particle

铁粉芯的老化机理

μi(f) μΔ(Idc)

μa(B) BrPcv Bs

高频磁元件与磁性材料考虑

SR

DMC

D2A

CMC PFC

LTX

TX

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(t)i(t)

示波器（数据采集）

电流采样

Chamber

计算机

cve

TsB

Bee

Tse

e

Ts

core

PVdBHlA

dtN

lHdtdBNA

Tsdtiu

TsP

⋅=⋅⋅⋅=

⋅⋅

⋅⋅⋅=⋅⋅=

∫

∫∫)(

)0(

00

)()(11

)()()( tiKl

NtitH He

⋅=⋅

=

∫∫++

⋅=⋅

=Tt

tB

Tt

te

dttuKdttuAN

tB 00

0

0

)()(1)(

θcos⋅⋅= IUP

θθ Δ+Δ+Δ=Δ )(tgII

UU

PP

Low Loss θ approaches to 90°

High-frequency Large Δθ =Δt*fLarge signal Large Δt

i(t)

u(t)

1

0

1

π0 t

i(t)

u(t)

1

0

1

π0 t

i(t)*u(t)

80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 900

40

80

120

160

200

9080 θ

)(θtg

高频磁芯损耗测量的误差分析与困难

IUPcos θ⋅

=

U保持不变，B不变, P不变，但由于电感降低，I 增大，所以cosθ降低，误差增大。

磁芯损耗测量 v.s.气隙/磁粉芯

U保持不变，B不变, P不变，但由于电感大，I 很小，所以cosθ较高，误差较小。

铁氧体高磁导率材料有气隙铁氧体或低磁导率磁粉芯

Ferrite

Powder89.036060500.1Magnetics KM60

88.460060500.1Magnetics XFlux60

89.615060500.1Magnetics MPP60

85.04055001000.1Ferroxcube 3C96

5500

60

μr

300

400

Pcv(kW/m3)

80.61000.2Ferroxcube 3C96

88.9500.1Magnetics HF60

θ (o)f(kHz)

B(T)

Material

i

u

Β i

u

Β

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-ZnNi-Zn

非晶磁材料(带材)Silicon steel (硅钢片)Permalloy (玻膜合金)Amorphous (非晶)

粉芯磁材料的结构

Flux uneven higher core loss

Powder conglutination more eddy current

Force stress Poor μ consistency (>10%)

Min. polymer needed for forming Lower μ

Polymer Lower max. temperature (140-170℃)

Distributed air-gap Lower winding losses

Distributed air-gap Larger HdcInorganic coating (oxide, SiO2, etc) Polymer binder

Alloy particle

粉芯磁材料的饱和特性比较

Ferr

ite

MPP

Koo

l m

Hig

h flu

x

Pure

iron 0.4

1.51.2

1.0

0.8

Bs

粉芯磁材料的损耗特性比较

Crispy Difficult in making and windingAnnealing needed to reduce stress by tape winding Very poor μ consistency (>20-200%)

Thin thickness (0.5-15 mils) Lower eddy current losses

High permeability

非晶带材磁材料

High saturation level (0.6-1.5T)Permalloy (玻莫合金 80%Ni+20%Fe) Amorphous: 非晶 -- 铁基(1.4-1.7T), 钴基(Bs:0.6-0.8T)Fe-based nanocrystalline: 纳米晶

Tape materials:

保护层

Crystalline Amorphous Nanocrystalline

非晶带材磁材的基本制程

Material

Water cooled wheel

10℃

1300℃

Cooling speed: 1M Kelvin/SSpeed: 100Km/hThickness: 17-25μm

铁氧体磁材料

Mn-Zn Ferrite (Fe2O3 + MnO + ZnO): High-permeability, Lower resistivity, More eddy current loss

Ni-Zn Ferrite (Fe2O3 + NiO + ZnO): Low-permeability, Higher resistivity, More hysteretic loss

是由Fe2O3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。

PC50PC50

PC46PC46

PC32PC32

PC9xPC9x

PC47PC47

PC44PC44

PC40PC40

PC10xPC10x

PC45PC45

PC95PC95

PC33PC33

PC8xPC8x

High Freq

Low Loss

Temp. tendency

High BsHigh Bs

410mT

440mT

75℃

45℃

25-125℃

300 kW/m3

250 kW/m3

410 kW/m3

Nano-TechQuality constancyQuality constancy

Quality constancyHigh B Field

0.5MHz,50mT

0.5-1MHz50-100mT

UnderDevelopment

UnderDevelopment

PC90PC90High Bs &Low Loss

450 450 mTmT320 kW/m320 kW/m33

UnderDevelopment

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Mn-Zn ferrites for power applications

铁氧体磁材料的发展

Thanks!Q & A

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