铁氧体磁芯及其应用[兼容模式].pdf

铁氧体磁心及其应用铁氧体磁心及其应用铁氧体磁心及其应用铁氧体磁心及其应用 提提提 纲提 纲纲纲 软磁铁氧体材料及磁心基础知识软磁铁氧体材料及磁心基础知识 软磁铁氧体的发展趋势软磁铁氧体的发展趋势 铁氧体磁心的典型应用铁氧体磁心的典型应用 软磁铁氧体材料及磁心基础知识软磁铁氧体材料及磁心基础知识软磁铁氧体材料及磁心基础知识软磁铁氧体材料及磁心基础知识 磁性材料的分类磁性材料的分类 硬磁硬磁 永磁永磁 材料材料 金属永磁金属永磁 NdFeB SmCo AlNiCo NdFeB SmCo AlNiCo 永磁铁氧体永磁铁氧体 Sr Ba Sr Ba 软磁材料软磁材料 金属软磁金属软磁 Fe FeNi FeSiAl Fe FeNi FeSiAl 非晶态合金非晶态合金 微晶微晶 纳米晶纳米晶 软磁铁氧体软磁铁氧体 MnZn NiZn MgZn MnZn NiZn MgZn 旋磁材料旋磁材料 旋磁铁氧体旋磁铁氧体 尖晶石系尖晶石系 柘榴石系柘榴石系 六角晶系 六角晶系 矩磁材料矩磁材料 磁纪录材料磁纪录材料 Fe2O3 CoO Fe2O3 CoO 软磁铁氧体的定义及特征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 磁性材料 MeOMeO FeFe2 2O O3 3 式中式中MeMe代表锰 镍 锌 铜 镁 钴等二价金属离子 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 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 低的制造成本 软磁铁氧体的主要缺点软磁铁氧体的主要缺点 饱和磁通密度较低 质地脆 易碎 饱和磁通密度较低 质地脆 易碎 种类繁多的软磁铁氧体磁心种类繁多的软磁铁氧体磁心 软磁铁氧体的主要用途软磁铁氧体的主要用途 主要制成磁心用于各种电感器 变压器 滤波器和扼主要制成磁心用于各种电感器 变压器 滤波器和扼 流圈的制造 广泛应用于流圈的制造 广泛应用于现代电子信息领域 如电脑现代电子信息领域 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 明装置 工业自动化和汽车 航空 航天及军事领域 软 磁 铁 氧 体 具 有 广 泛 的 用 途 软 磁 铁 氧 体 具 有 广 泛 的 用 途 软磁铁氧体制造工艺流程软磁铁氧体制造工艺流程 按照预定的配方称重 把高纯 粉状的氧化物按照预定的配方称重 把高纯 粉状的氧化物 如如 FeFe2 2O O3 3 MnMn3 3O O4 4 ZnOZnO NiONiO MgOMgO等等 混合均匀 再混合均匀 再 经过预烧 粉碎 造粒 模压成型为毛坯 在高温经过预烧 粉碎 造粒 模压成型为毛坯 在高温 1200 1200 14001400 下烧结 再通过磨削加工 检查和下烧结 再通过磨削加工 检查和 包装获得成品 包装获得成品 软磁铁氧体的机理软磁铁氧体的机理 磁心的显微结构磁心的显微结构 放大放大500500倍倍 磁畴及磁化过程磁畴及磁化过程 磁化曲线及磁滞回线磁化曲线及磁滞回线 1 1 初始磁导率 初始磁导率 i i 初始磁导率是磁性材料的磁导率初始磁导率是磁性材料的磁导率 B H B H 在磁在磁 化曲线始端的极限值 即化曲线始端的极限值 即 式中式中 0 0为真空磁导率为真空磁导率 4 4 1010 7 7H H m m H H为磁场强度为磁场强度 A A m m B B为磁通密度为磁通密度 T T 软磁铁氧体的主要技术性能参数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磁导率和磁化曲线的关系 2 2 有效磁导率有效磁导率 e e 为了绕制的方便 在变压器及滤波器等器件中为了绕制的方便 在变压器及滤波器等器件中 常采常采 用两只形状相同的磁心配对构成闭合磁路 由于磁路各部用两只形状相同的磁心配对构成闭合磁路 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份形状尺寸不同 且配合面不可避免有残余气隙 为改善为改善 性能性能 有时在磁路人为开制气隙有时在磁路人为开制气隙 因此要用有效磁导率来因此要用有效磁导率来 表征磁心的性能 表征磁心的性能 式中式中 L L为装有磁心的线圈的电感量为装有磁心的线圈的电感量 H H N N为线圈匝数为线圈匝数 le le为有效磁路长度为有效磁路长度 m m AeAe为有效截面积为有效截面积 m m2 2 开气隙提高了磁心抗饱和的能力开气隙提高了磁心抗饱和的能力 3 3 饱和磁通密度饱和磁通密度Bs T Bs T 磁化到饱和状态的磁通密度 磁化到饱和状态的磁通密度 4 4 剩余磁通密度剩余磁通密度Br T Br T 从饱和状态去除磁场后 剩从饱和状态去除磁场后 剩 余的磁通密度 余的磁通密度 5 5 矫顽力矫顽力Hc A m Hc A m 从饱和状态去除磁场后 磁从饱和状态去除磁场后 磁 心继续被反向的磁场磁化 心继续被反向的磁场磁化 直至磁通密度减为零 此时直至磁通密度减为零 此时 的磁场强度称为矫顽力 的磁场强度称为矫顽力 6 6 居里温度居里温度Tc Tc 在该温度下材料由铁磁性在该温度下材料由铁磁性 或亚铁磁性或亚铁磁性 转变成顺磁性 转变成顺磁性 7 7 电阻率电阻率 m m 具有单位截面积和单位长度的磁性材料的电阻 具有单位截面积和单位长度的磁性材料的电阻 8 8 密度密度d kg md kg m3 3 单位体积材料的重量 即单位体积材料的重量 即 d W Vd W V 式中式中 WW为磁心的重量为磁心的重量 kg kg V V为磁心的体积为磁心的体积 m m3 3 9 9 功率损耗功率损耗Pc kW mPc kW m3 3 磁心在高磁通密度下的单位体积损耗或单位重量损耗 磁心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该磁通密度可表示为 Bm E 4 44f NAeBm E 4 44f NAe 式中式中 BmBm为磁通密度的峰值为磁通密度的峰值 T T f f 为频率为频率 Hz Hz N N为线圈匝数为线圈匝数 AeAe为有效截面积为有效截面积 m m2 2 E E为励磁电压有效值为励磁电压有效值 V V 磁滞损耗磁滞损耗PhPh 涡流损耗涡流损耗PePe和剩余损耗和剩余损耗PrPr之和构成功率损耗 之和构成功率损耗 功率损耗又可用经验公式表示 功率损耗又可用经验公式表示 Pc C Pc C f f a a BmBmb b 式中式中C C为常数 为常数 f f为工作频率 为工作频率 BmBm为工作磁通密度 对于常为工作磁通密度 对于常 见的功率铁氧体材料而言 见的功率铁氧体材料而言 a a为为1 21 2 b b约为约为2 52 5 Pc Ph Pe Pr f BdH Cf 2Bm2 Pr 功率损耗的构成功率损耗的构成 10 10 电感因数电感因数A AL L nH N nH N 2 2 电感因数定义为具有一定形状和尺寸的磁心上每一匝电感因数定义为具有一定形状和尺寸的磁心上每一匝 线圈产生的电感量 即线圈产生的电感量 即 A AL L L N L N2 2 式中式中 L L为为 装有磁心的线圈的电感量装有磁心的线圈的电感量 H H N N为线圈匝数为线圈匝数 NCD MnZnNCD MnZn软磁铁氧体材料分类软磁铁氧体材料分类 1 1 LPLP系列功率铁氧体材料 主要用于开关电源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 包括变压器 扼流圈及其它功率转换领域 包括 LP1LP1 LP3LP3 LP3ALP3A LP4LP4 LP5LP5 LP9LP9 LP13LP13等 等 2 2 HPHP系列高磁导率铁氧体材料 主要用于系列高磁导率铁氧体材料 主要用于EMIEMI 滤波器和数字通讯领域的宽带 脉冲变压器 滤波器和数字通讯领域的宽带 脉冲变压器 包括包括HP1HP1 HP2HP2 HP3HP3 HP3AHP3A等 等 NCDNCD 功 率 铁 氧 体 材 料 特 性 功 率 铁 氧 体 材 料 特 性 NCDNCD高磁导率铁氧体材料特性高磁导率铁氧体材料特性 常用铁氧体磁心的特点 常用铁氧体磁心的特点 E EEE EE EFEF EI EI 简单 经济的形状 方形截面不易绕制粗线 磁心有效面积较大 磁屏蔽较差 平面平面E E型型 Planar EE Planar EE Planar EI Planar EI 低矮结构 低矮结构 小的漏磁通 小的漏磁通 寄生特性的重复性很好 寄生特性的重复性很好 易于装配 易于装配 节省成本 节省成本 可靠性高 可靠性高 热特性好 易于散热 热特性好 易于散热 EFDEFD型型 很低的结构高度 很低的结构高度 很高的传输功率密度 很高的传输功率密度 包括包括 SMDSMD骨架在内的范围很全的配件 骨架在内的范围很全的配件 EPEP型型 立方体设计有利于高密度装配 立方体设计有利于高密度装配 优良的磁屏蔽 优良的磁屏蔽 易于设计多路输出变压器 易于设计多路输出变压器 ERER型型 圆形中心柱 圆形中心柱 边侧腿带有圆弧 边侧腿带有圆弧 为获得更小的尺寸 备有为获得更小的尺寸 备有SMDSMD骨架和卡箍 骨架和卡箍 中等的磁屏蔽效果 中等的磁屏蔽效果 ETDETD型 型 AC DC AC DC 转换器的最佳形状 转换器的最佳形状 开关电源变压器最高频率可到开关电源变压器最高频率可到200kHz200kHz 传输一定功率的最小体积和重量 传输一定功率的最小体积和重量 高效率的安装部件 高效率的安装部件 中等的磁屏蔽 中等的磁屏蔽 P P 罐罐 型 型 优良的磁屏蔽 优良的磁屏蔽 各种材料和尺寸规格齐全 各种材料和尺寸规格齐全 不易装配和安装 不易装配和安装 引出线困难 引出线困难 用作电源隔离困难 用作电源隔离困难 PQPQ型型 圆形实心中柱及圆的绕线空间 圆形实心中柱及圆的绕线空间 矩形的外部设计 矩形的外部设计 磁心对的顶部和底部均为完全平面 与散热器可有良磁心对的顶部和底部均为完全平面 与散热器可有良 好的热接触 好的热接触 良好的磁屏蔽 良好的磁屏蔽 RMRM型型 标准化的规格 标准化的规格 配件范围齐全 配件范围齐全 易于自动化绕线 易于自动化绕线 简单的安装系统 简单的安装系统 有效利用有效利用 PCB PCB 面积 面积 较宽的出线槽口 较宽的出线槽口 良好的磁屏蔽 良好的磁屏蔽 U U型型 简单 经济的形状 简单 经济的形状 可拼接使用于更大的功率 可拼接使用于更大的功率 大的尺寸 大的尺寸 没有自屏蔽效果 没有自屏蔽效果 环形环形 Ring Ring 简单经济的形状 简单经济的形状 非常低的杂散磁通和漏感 非常低的杂散磁通和漏感 不容易绕线 不容易绕线 软磁铁氧体的发展趋势软磁铁氧体的发展趋势软磁铁氧体的发展趋势软磁铁氧体的发展趋势 更高的磁导率更高的磁导率 更低的损耗更低的损耗 更高的饱和磁通密度更高的饱和磁通密度 更高的使用频率更高的使用频率 更宽的使用温区更宽的使用温区 更小的体积和重量更小的体积和重量 更低矮的安装高度更低矮的安装高度 更高的磁导率更高的磁导率 TDKTDK H5C2 H5C2 10000 H5C3 10000 H5C3 15000 15000 H5C5 H5C5 30000 30000 更低的损耗更低的损耗 TDKTDK PC30PC30 PcvPcv 600kW m600kW m3 3 PC40PC40 PcvPcv 410kW m 410kW m3 3 PC44PC44 PcvPcv 300kW m 300kW m3 3 PC4PC47 7 PcvPcv 250250kW mkW m3 3 更高的饱和磁通密度更高的饱和磁通密度 F FDKDK 6H206H20 BsBs 390mT390mT 4H454H45 BsBs 450mT 450mT 4H474H47 BsBs 470mT 470mT 4H50 4H50 BsBs 500mT 500mT FERROXCUBEFERROXCUBE 3C90 fmax 300kHz 3F3 fmax 500kHz 3C90 fmax 300kHz 3F3 fmax 500kHz 3F35 fmax 1MHz 3F4 fmax 2MHz 3F35 fmax 1MHz 3F4 fmax 2MHz 3F5 fmax 4MHz 3F5 fmax 4MHz 更高的使用频率 更高的使用频率 1 1 功率材料功率材料 更高的使用频率 更高的使用频率 2 2 高磁导率材料 更高的阻抗 高磁导率材料 更高的阻抗 更宽的使用温区 更宽的使用温区 1 1 功率材料 功率材料 TDKTDK PC40PC40 80 11080 110 损耗较低 损耗较低 PC95 PC95 25 12025 120 损耗较低 损耗较低 更宽的使用温区 更宽的使用温区 1 1 高磁导率材料 高磁导率材料 TDKTDK H5C2H5C2 室温以上使用 室温以上使用 H5C4H5C4 零下 零下3030可可 使用 使用 更小的体积和重量更小的体积和重量 更低矮的安装高度更低矮的安装高度 顺应世界铁氧体材料发展趋势的顺应世界铁氧体材料发展趋势的NCDNCD研发体系研发体系 NCDNCD铁氧体材料和世界各主要厂商材料对应关系铁氧体材料和世界各主要厂商材料对应关系 铁氧体磁心的典型应用铁氧体磁心的典型应用铁氧体磁心的典型应用铁氧体磁心的典型应用 信号处理 信号处理 ADSLADSL及及LANLAN宽带变压器 宽带变压器 功率转换 开关电源 功率转换 开关电源 LCDLCD背光源逆变器 汽车电背光源逆变器 汽车电 子子 绿色照明 绿色照明 EMIEMI抑制 共模扼流圈 抑制 共模扼流圈 EMIEMI滤波器 滤波器 大磁心的应用 逆变焊机 高频感应加热 大磁心的应用 逆变焊机 高频感应加热 信号处理信号处理 1 1 ADSLADSL宽带变压器宽带变压器 2 2 LANLAN接口变压器接口变压器 1 1 ADSLADSL宽带变压器 宽带变压器 Wideband transformer Wideband transformer ADSL ADSL 非对称数字用户传输线 非对称数字用户传输线 通讯原理图通讯原理图 主要功能 阻抗匹配及隔离主要功能 阻抗匹配及隔离 主要技术要求 主要技术要求 宽频带宽频带 20kHz 1 1MHz20kHz 1 1MHz 低低ILIL Insert LossInsert Loss 插入损耗 插入损耗 低低THDTHD Total Harmonic DistortionTotal Harmonic Distortion 总谐波失真 总谐波失真 系数 系数 低低ILIL和和THDTHD是保证是保证ADSLADSL传输距离 避免数据误差传输距离 避免数据误差 的关键因素的关键因素 关于关于THDTHD 定义定义THD 20lgTHD 20lg V V3 3 V V1 1 V V1 1为基波的振幅 为基波的振幅 V V3 3为三次谐波的振幅为三次谐波的振幅 THDTHD B B CDFCDF B B 材料磁滞系数 与材料损耗特性有关材料磁滞系数 与材料损耗特性有关 CDFCDF Core Distortion FactorCore Distortion Factor 磁心失真因数 与 磁心失真因数 与 磁心形状及尺寸有关磁心形状及尺寸有关 适合的材料 适合的材料 高磁导率 高磁导率 4000 4000至至1000010000 低 低THD THD 低低 B B 0 2 0 2 1010 6 61 mT1 mT 材料如 材料如 ACME A101AC