摘要：超微晶亦称纳米非晶，它是一种新型磁性材料。超微晶磁芯具有高磁导率、高矩形比、磁芯损耗低、高温稳定性好等优点而倍受人们青睐。以德国VAC公司生产的铁基超微晶磁芯VITROPERM500F、钴基超微晶磁芯VITROVAC6025Z为例，介绍其性能特点以及在开关电源中的应用。

关键词：超徽晶；磁芯；开关电源

0    引言

　　微晶磁芯具有较高的饱和磁感应强度(1.1～1.2T),高磁导率,低矫顽力,低损耗及良好的稳定性、耐磨性、耐蚀性,同时具有较低的价格,在所有的金属软磁材料芯中具有最佳的性价比。用于制作微晶铁芯的材料被誉为"绿色材料"，广泛应用于取代硅钢,坡莫合金及铁氧体,作为各种形式的高频(20～100kHz)开关电源中的大中小功率的主变压器、控制变压器、波电感、储能电感、电抗器、磁放大器、饱和电抗器磁芯、EMC滤波器共模电感和差模电感磁芯、IDSN微型隔离变压器磁芯，也广泛应用于各种类同精度的互感器磁芯。

1    超微晶磁芯的主要特点

　　VITROPERM500F铁基超微晶磁芯具有以下特点：

　　1）极高的初始磁导率，μ=30000～80000，且磁导率随磁通密度和温度的变化非常小；

　　2）磁芯损耗极低，并且在－40～＋120℃范围内不随温度而变化；

　　3）非常高的饱和磁通密度（B_S=1.2T），允许选择较低的开关频率，能降低开关电源及EMI滤波器的成本；

　　4）磁芯采用环氧树脂封装，机械强度高，无磁滞伸缩现象，能承受强振动；

　　5）可取代传统的铁氧体磁芯以减小开关电源的体积，提高可靠性。

　　超微晶磁芯的型号很多，所传输的功率可从50W到11kW。几种常用磁性材料的性能比较见表1。

表1    几种常用磁性材料的性能比较

2    超微晶磁芯在开关电源中的应用

2.1    超微晶磁芯材料在高频变压器中的应用

　　目前，高频变压器一般选用铁氧体磁芯。VITROPERM500F铁基超微晶磁芯与德国西门子公司生产的N67系列铁氧体磁芯的性能比较，如图1所示。图1（a）为磁导率的相对变化率与温度的关系曲线；图1（b）为磁感应强度（B）与矫顽力（H）的关系曲线；图1（c）则为损耗温度曲线。由图1（a）可见，超微晶磁芯的磁导率随温度的变化量远远低于铁氧体磁芯，可提高开关电源的稳定性和可靠性。由图1（b）可见，超微晶磁芯的μB乘积比铁氧体磁芯高许多倍，这意味着可大大减小高频变压器的体积及重量。由图1（c）可见，当温度发生变化时，超微晶磁芯的损耗远低于铁氧体磁芯。此外，铁氧体磁芯的居里点温度较低，在高温下容易退磁。若采用超微晶磁芯制作变压器，即可将工作时的磁感应强度变化量从0.4T提高到1.0T，使功率开关管的工作频率降低到100kHz以下。

（a）μ－t曲线                （b）B－H曲线                （c）损耗－温度曲线

图1    微晶磁芯与铁氧体磁芯的性能比较

2.2    超微晶磁芯在共模电感中的应用

　　采用超微晶磁芯制作共模电感（亦称共模扼流圈）时，只须绕很少的匝数，即可获得很大的电感量，从而降低了铜损，节省了线材，减小了共模电感的体积。用超微晶磁芯制成的共模电感具有很高的共模插入损耗，能在很宽的频率范围内对共模干扰起到抑制作用，因而不需要使用复杂的滤波电路。分别用铁氧体磁芯、超微晶磁芯制成共模电感，二者的外形比较如图2所示。

图2    两种共模电感的外形比较

2.3    超微晶磁芯在EMI滤波器中的应用

　　由VAC公司生产的钴基超微晶磁芯VITROVAC6025Z，可广泛用于开关电源的EMI滤波器中，能有效地抑制由电流快速变化所产生的尖峰电压。在超微晶磁芯上绕一圈或几圈铜线，即可制成一个尖峰抑制器，其构造非常简单，而对噪声干扰的抑制效果非常好。VITROVAC6025Z超微晶磁芯具有极低的磁芯损耗和很高的矩形比，当电流突变为零时呈现出很大的电感量，能对整流管的反向电流起到阻碍作用。由尖峰抑制器构成EMI滤波器的电路如图3所示。D₁为输出整流管，D₂为续流二极管。在D₁、D₂上分别串联一个尖峰抑制器。L为储能电感，C为滤波电容。不加尖峰抑制器时通过整流管的电流波形如图4（a）所示，I_F、I_R分别代表整流管的正向工作电流和反向工作电流，t_rr代表反向恢复时间。由图4可见，整流管在反向工作区域会产生尖峰电流，而接入尖峰抑制器后，尖峰电流就被抑制了。

图3    由尖峰抑制器构成EMI滤波器的电路

（a）不加尖峰抑制器    （b）加尖峰抑制器

图4    两种情况下通过整流管电流波形的比较

　　尖峰抑制器典型的磁滞回线如图5所示，在到达工作点1之前（电流导通时），磁芯处于饱和状态，具有非常低的电感量；当电流关断时到达工作点2（亦称剩磁点）时，由于整流管存在反向恢复时间，使得电流继续沿着负的方向减小，但?微晶磁芯具有非常高的磁导率，这时会呈现很大的电感量，所以它就不经过理论工作点3（该点本应对应于出现反向尖峰电流IR的时刻），而是直接到达工作点4（即反向剩磁点），然后又被磁化开始另一循环。这种抑制整流管尖峰电流的特性被称之为“软恢复”。图5中的IFe为激励电流。

图5    尖峰抑制器的磁滞回线

　　下面介绍设计尖峰抑制器的公式。若令整流管的反向恢复时间为t_rr（单位取s），反向电压为U_R（V），通过整流管的电流为I_F（A），则尖峰抑制器必须满足下述条件。

　　Φ· S≥1.5t_rrU_RIF(1)

式中：Φ为磁通；

      S为磁芯的绕线面积。

　　计算铜导线线径的公式为

（2）

　　所须绕制的匝数为

　　N>πt_rrU_R／Φ（3）

3    结语