铁氧体磁芯及其应用-N.ppt

铁氧体磁芯及其应用,2007年1月,提纲,关于铁氧体 关于铁氧体磁芯的一般应用 关于用于平面变压器的铁氧体,关于铁氧体,磁性材料的分类 硬磁 (永磁) 材料 金属永磁(NdFeB/SmCo/AlNiCo) 永磁铁氧体 (Sr/Ba) 软磁材料 金属软磁 (Fe/FeNi/FeSiAl/非晶态合金/微晶) 软磁铁氧体(MnZn/NiZn/MgZn) 旋磁材料 旋磁铁氧体(尖晶石系/柘榴石系/六 角晶系） 矩磁材料 磁纪录材料(-Fe2O3/CoO),软磁铁氧体的定义及特征 软磁铁氧体是可表示为下列分子式的尖晶石晶体结构的磁性材料 MFe2O4 式中M代表锰、镍、锌、铜、镁、钴等二价金属离子。,软磁铁氧体的主要优点 电阻率远大于金属磁性材料，这抑制了涡流的产生，使铁氧体能应用于高频领域；采用陶瓷工艺易于制成各种不同的形状和尺寸；化学特性稳定、不生锈；较低的制造成本。 软磁铁氧体的主要缺点 饱和磁通密度较低，质地脆，易碎。,软磁铁氧体的主要用途 主要制成磁芯用于各种电感器、变压器、滤波器和扼流圈的制造，广泛应用于现代电子信息领域，如电脑及其外部设备、办公自动化设备、数字通信和模拟通信设备、互联网、家用电器、电磁兼容设备、绿色照明装置、工业自动化和汽车、航空、航天及军事领域。,种类繁多的软磁铁氧体磁芯,软磁铁氧体具有广泛的用途,软磁铁氧体制造工艺流程 按照预定的配方称重，把高纯、粉状的氧化物 (如 Fe2O3、Mn 304、ZnO、NiO、MgO等 ) 混合均匀，再经过预烧、粉碎、造粒，模压成型为毛坯，在高温 (12001400)下烧结。再通过磨削加工、分类和包装获得成品。,软磁铁氧体的技术原理,磁芯的显微结构,放大500倍,磁畴及磁化过程,磁化曲线及磁滞回线,1、初始磁导率i 初始磁导率是磁性材料的磁导率 (= B/H) 在磁化曲线始端的极限值，即 式中 0为真空磁导率(410-7 Hm) H为磁场强度(Am) B为磁通密度( T ),软磁铁氧体的主要技术性能参数,磁导率和磁化曲线的关系,2. 有效磁导率e 为了绕制的方便，在变压器及滤波器等器件中, 常采用两只形状相同的磁芯配对构成闭合磁路。由于磁路各部份形状尺寸不同，且配合面不可避免有残余气隙 (为改善性能, 有时在磁路人为开制气隙), 因此要用有效磁导率来表征磁芯的性能。 式中 L为装有磁芯的线圈的电感量(H) N为线圈匝数 le为有效磁路长度(m) Ae为有效截面积 (m2 ),开气隙提高了磁芯抗饱和的能力,3. 饱和磁通密度Bs ( T ) 磁化到饱和状态的磁通密度。 4. 剩余磁通密度Br ( T ) 从饱和状态去除磁场后，剩余的磁通密度。 5. 矫顽力Hc( A/ m ) 从饱和状态去除磁场后，磁芯继续被反向的磁场磁化，直至磁通密度减为零，此时的磁场强度称为矫顽力。,6. 居里温度Tc ( ) 在该温度下材料由铁磁性(或亚铁磁性) 转变成顺磁性。,7. 电阻率 (/m) 具有单位截面积和单位长度的磁性材料的电阻。 8. 密度d (kg/m3 ) 单位体积材料的重量，即 d = W/V 式中 W为磁芯的重量 (kg ) V为磁芯的体积 ( m3 ),9. 功率损耗Pc (kW/ m3、W/ kg ) 磁芯在高磁通密度下的单位体积损耗或单位重量损耗。该磁通密度可表示为 Bm = E/ 4.44f NAe 式中 Bm为磁通密度的峰值 ( T ) f 为频率 ( Hz ) N为线圈匝数 Ae为有效截面积 ( m2 ) E为励磁电压有效值 (V),磁滞损耗Ph、涡流损耗Pe和剩余损耗Pr之和构成功率损耗： 功率损耗又可用经验公式表示： Pc = C f a Bmb 式中C为常数，f为工作频率，Bm为工作磁通密度，对于常见的功率铁氧体材料而言，a为1.2，b约为2.5。,PcPhPePrf BdH + Cf 2Bm2/+ Pr,功率损耗的构成,10. 电感因数AL ( nH / N 2 ) 电感因数定义为具有一定形状和尺寸的磁芯上每一匝线圈产生的电感量，即 AL = L / N2 式中 L为 装有磁芯的线圈的电感量 (H) N为线圈匝数,NCD MnZn软磁铁氧体材料分类 1、LP系列功率铁氧体材料，主要用于开关电源变压器、扼流圈及其它功率转换领域，包括LP1、LP2、LP3、LP3A、LP4、LP8、LP9、LP13等。 2、HP系列高磁导率铁氧体材料，主要用于EMI抑制器件和数字通讯领域的宽带、脉冲变压器，包括HP1、HP2、HP3等。,关于铁氧体磁芯的一般应用,小信号处理 功率转换 EMI抑制 电波吸收,小信号处理 1、滤波线圈 要求：低损耗（高Q），精确的电感量，良好的时间稳定性，固定的温度依赖性。 适用的材料：R2KB(JSF)，N48(Epcos) 适用的磁芯：罐型、RM,2.宽带变压器 通讯系统和数字网络用,主要技术要求： 高磁导率; 有时要有良好的DC-Bias特性； 低THD (ADSL应用时)。 适合的磁芯形状：EE、EP、RM、POT、环形等 适合的材料：HP2/HP2F HP3/HP3F,3、调谐线圈 4、电流互感器 5、延迟线,功率转换 1、功率变压器 2、输出扼流圈 3、驱动变压器 4、行输出变压器 5、LCD背光源逆变器,功率转换：DC-DCAC-DCDC-AC,主磁芯变压器磁芯主要技术要求： 在工作频率范围内和高温下有低的功率损耗 损耗温度系数为负值 有时需要气隙 适合的磁芯形状：EE、EC、ETD、RM、PQ、EFD、EPC等 适合的材料：LP2 (100kHz) LP3 (300kHz) LP3A (300kHz，小型化) LP4 (200kHz1MHz),功率转换：DC-DCAC-DCDC-AC,磁芯规格的选择： 传输功率,LCD背光照明逆变器（backligting inverter),在50100kHz内有很低的损耗，损耗温度系数为负值 低矮轮廓、小尺寸、重量轻 适合的材料为LP3、LP3A 适合的磁芯形状为UI、EFD、EPC、EE,主要技术要求：,用于行输出变压器（FBT) 的铁氧体磁芯,FBT 基本工作原理图,基本技术要求： 在工作频率范围内(16100kHz)低的功率损耗 损耗温度系数为负值 高温下(80100) 有高饱和磁通密度 需要气隙 (air gap) 适用的磁芯形状：UYF 适用的材料：LP3,EMI抑制 输入滤波器 EMI滤波器,铁氧体磁芯用于EMI抑制 EMI抑制基本原理,输入滤波器（共模扼流圈）,EMI滤波器,主要技术要求： 在所需频率范围内有高的阻抗Z,适用的材料：MnZn系及NiZn系,关于用于平面变压器的铁氧体,Several types of planar devices,Advantages of planar technology There are many advantages of planar magnetic technology over conventional wire-wound inductive components. An obvious advantage is a very low build height, which promotes planar in dense rack-mount and portable equipment.,Planar magnetics are very well suited for design of high performance switch-mode power converters. Low AC copper losses and good coupling increase conversion efficiency. Levels higher than 95 % can be achieved, provided that the core is ungapped or only has a moderate air gap. In addition, low leakage inductance reduces voltage spikes and oscillations that can damage MOSFETs and increase interference emission.,Good heat management leads to very high throughput power density, up to twice the value for conventional transformers. Very good repeatability of parasitics enables high switching frequencies and resonant topologies. Cores are available in material LP5 for switching frequencies up to 1 MHz.,Applications Power conversion Components power transformer, output or resonant choke(s), mains filter choke AC/DC converter (mains-fed power supply) Stand-alone SMPS Battery charger (mobile phone, portable computers) Instrumentation & control, DC/DC converter (distributed or battery-fed power supply) Power converter modules Telecommunications network switch (distributed supply) Mobile phone (main power supply) Portable computer (main power supply) Electric car (traction voltage to 12 V down converter), AC/AC converter (mains-fed power supply) Compact fluorescent lamps Induction heating, welding DC/AC inverter (battery-fed power supply) Mobile phone (LCD backlighting) Portable computer (LCD backlighting) Gas discharge car headlamp (ballast) Car rear window heating,Pulse transmission Component wideband transformer S0 interface (subscriber telephone line) U interface (subscriber ISDN line) T1/T2 interface (trunk line between network switches) ADSL interface (Asynchronous Digital Subscriber Line) HDSL interface (High Digital Subscriber Line),Ferrite material choice Power materials LP5 (frequencies up to 1000 kHz) and LP3/LP3A (frequencies up to 300kHz) are available. The high permeability material HP3 (i=10000) can be selected for mains filter chokes and wideband transformers.,Core choice Flux density The improved heat management allows for up to twice the power loss of a conventional design with the same magnetic volume, so optimum flux density will be higher than for a conventional design.,Air gap Large air gaps are not favourable in a planar design because of stray flux. The flux fringing factor depends on the ratio of winding window height to air gap length, which is lower for a flat core. If t