锰锌铁氧体的发展.doc

锰锌铁氧体材料技术性能的拓展刘九皋1,2 傅晓敏2( 1中国计量学院东磁研究院 浙江杭州 310018 )(2横店集团东磁股份有限公司 浙江东阳 322118)摘 要：综述了近两年来世界各大公司锰锌铁氧体材料技术特性日新月异的进步，指出了该材料系列三大板块(高，高Bs低功耗，高Q)相互交叉，求新求全发展的动向，总结了新材料两宽(宽温，宽频)、两高(高饱和磁通密度，高直流叠加性能)、两低(低损耗或低功耗，低谐波失真)的技术特点，提出了以现有材料体系为基础的研发思路。关键词：软磁铁氧体材料 宽频 宽温 直流叠加 低谐波失真Development of Mn-Zn ferrite in magnetic propertiesLIU Jiu-gao1,2, FU Xiao-min21. Research Institute of DMEGC, China Institute of Metrology, Hangzhou 310018, China;2. Dongyang Magnetic enterprise group Co.LTD, Dongyang 322118, ChinaAbstract: In this paper, the latest development of Mn-Zn ferrites of some main enterprises in the world was summarized. This material series mainly have three part: high permeability, high Bs low power loss and high Q, which are crossing each other. The main characteristics of their development are “two wide” (wide temperature range, wide frequency range), “two high” (high Bs, high DC-bias performance) and “two low” (low loss, low Total Harmonic Distortion (THD). In addition, the developing direction of Mn-Zn ferrite was proposed, which was based on the existing Mn-Zn ferrite. Key words: Soft ferrite materials; wide frequency; wide temperature; DC-bias; Low THD近两年来，世界各大铁氧体公司竞相提高锰锌铁氧体材料技术性能，以适应日益拓展的应用领域，使这种基础功能材料的发展出现了勃勃生机。在IT产业、电力电子，特别是网络通信等用户的苛求下，为保证设备系统稳定、可靠、高效运行，一种求新、求全的理念，已逐渐主导着铁氧体软磁材料的研发方向1。这就是要求材料具有更高的饱和磁通密度Bs，更好的直流叠加特性，更低的比损耗系数tg/i(包括高磁通密度下的功耗Pc)和总谐波失真系数(THD)以及更宽的使用频率和更广的使用温度范围。即所谓两宽(宽频、宽温)、两高(高Bs、高DC-Bias性能)、两低(低的比损耗系数tg/i或Pc、低谐波失真THD)兼具的特点。一、高Bs、高DC-Bias特性高Bs材料也就是功率铁氧体材料，其饱和磁通密度Bs越高，则磁心处于正常工作状态时越不容易饱和。新的设计理念不再偏重使磁心在高磁通密度下工作以降低铜线绕组功耗，因为Mn-Zn铁氧体磁心在这种情况下功耗会急剧增大，绕组功耗的降低远不能抵偿磁心材料功耗的增加。所以，新的设计理念是以低的交流励磁电平而不再以高的励磁电平激励元件，即让磁心工作在“可用磁通密度”，而不是硬饱和状态，以避免磁通密度处于磁滞回线非线性区域时导致磁导率陡直下降，磁心绕组因阻抗降低而恶性发热甚至烧毁。一般“可用磁通密度”为饱和磁通密度的80%，提高Bs的途径不外乎调整工艺，如提高磁心密度和优选配方及有效添加物。近两年来，国内外厂家在提高Bs，特别是高温Bs方面，不遗余力的推陈出新，取得了不少出色的成果25。如德国EPCOS和荷兰Philips公司去年推出的N45和3B46材料，其常温Bs为550mT，100时为435mT；荷兰Philips公司改进后的3C92材料，常温Bs为540mT，100时达460mT，140时尚达400mT；日本FDK公司去年推出的4H45和4H47材料，100时Bs分别为450mT和470mT；日本TDK公司去年推出PC95后，今年又适应市场需求推出了宽温高Bs PC90材料，其常温Bs为540mT，100时为450mT，且100kHz、200mT、100状态下功耗为320mW/cm3；东磁公司DMR2KP及DMR1.2KH材料高温Bs分别为460mT和470mT，已接近FDK公司4H47和Philips公司3C92水平。在功率铁氧体材料市场拓展方面，各公司真可谓你方唱罢我登场，使出了浑身解数。高材料常温Bs值也刷新到了430450mT的水平，除改善直流叠加特性外，还大大降低了装配压力对磁心电感的影响。当然，Bs，特别是高温Bs的提高，不仅仅是为了传输更大的功率，同时还可以大大改善磁导率的直流叠加特性。所谓高直流叠加特性，是指以下几个方面：在材料的HDC性能曲线上，增量磁导率(或称叠加磁导率)开始下降的临界直流磁场要高，即材料不变时所能承受的叠加直流电流要高；在临界直流磁场以上，的下降趋势越缓慢越好，即叠加上直流以后的磁心电感量不能下降太低，其值越高越好；上述磁心电感量是在工作的交变场下测得，要求这个交变场频率越高越好，相应的场强也是越高越好；工作环境要求宽温，用户特别重视高温直流叠加性能，甚至高达125，Philips公司3C93材料已实现140功耗谷点和相应的Bs要求。而直流叠加特性的改善，除上述高Bs要求外，还应得益于剩余磁通密度Br值的降低。理论和实践证明6，只有提高Bs同时降低Br，即增大B值，使材料的磁滞回线倾斜成恒导型，才具有良好的DC-Bias特性。材料制造商明白，Bs受到理论值上限的约束，已无多少提高的余地，而Br却可通过多种途径进一步降低，所以在改善直流叠加特性方面，各大公司的锰锌铁氧体材料除提高Bs外，还刻意追求低Br，特别是高温Br，高温Br值一般在5060mT，目前东磁公司试验水平已降到30mT。有高温直流叠加特性要求的材料，其功耗谷点必然在高温，谷点处Br值接近最低。因为BrT曲线同PcvT曲线趋势相近，而Bs则是随温度的升高而降低。所以，在配方和添加物的选择上，必须充分考虑Br和Bs不同的温度特性，不然，经常会出现高温Br大于常温Br的情况，以致改善直流叠加特性的举措失败。表1列出了各大公司最新推出的高Bs材料性能。表1 世界名大公司最新推出的高Bs材料性能表公司牌号初始磁导率i常温(25)Bs/mT高温(100)Bs/mT 谷点功耗/mWcm-3EPCOSN453800550435tg/i 210-6(100kHz,25)Philips3B463800545435tg/i 1.610-6(100kHz,25)3C921500540460400(140)350(100,100kHz,200mT)3C931800520430360(140)350(140,100kHz,200mT)300(140,500kHz,50mT)FDK4H452000520450450(100,100kHz,200mT)4H471200530470650(100,100kHz,200mT)TDKPC472500530420250(100,100kHz,200mT)PC953300530410280(80,100kHz,200mT)PC902200540450320(100,100kHz,200mT)DMEGCDMR2KP2000520450450(100,100kHz,200mT)DMR1.2KH1200530470150(100,1MHz,30mT)DMR1.2KB1200520450150(100,5.64MHz,2.5mT)二、低损耗、低失真特性对于Mn-Zn铁氧体材料，降低损耗值是几代人不懈追求的课题。模拟通信年代，为保证载波通信设备的稳定性，日本NEC/TOKIN公司最早用共沉淀法开发了优铁氧体2001F和超优铁氧体1000SF7材料，其特点是Q乘积高(1000SF达1.25106)，比温度系数F及比减落系数DF小，特别是磁滞常数B大大减小，因而通信系统总谐波失真THD值小。Q乘积等于比损耗系数tg/i的倒数，是材料的本征特性之一，当磁心开具气隙后，由于退磁作用，初始磁导率i降为有效磁导率e，其比值e/i称为降导比，按斯诺克公式，磁心的Q乘积不变，所以开气隙磁心的有效Q值及有效、DF及B等均按降导比的不同方次幂得到改善。近期，EPCOS公司的N48材料(接近于TOKIN公司2001F)又焕发生机，加上去年又出现了前文提及的N45和3B46材料，这些高Q、低谐波失真材料被赋予高Bs的新特征后，在强电和弱电领域独领风骚，正成为热销品种。东磁公司以DMR2KD(相当于2001F和N48)、DMR4KBQ8(相当于N45和3B46)低损耗、低谐波失真材料为基础，以提高磁导率、降低比损耗为核心，开发了一系列低损耗、低谐波失真材料，如R5KB、R7KB、R10KD、R12KF、R15KTF等兼顾多项性能的Mn-Zn铁氧体磁心，详见后文所附材料开发体系表。不同频率范围各种损耗所占比例不同，利用SY8232 BH分析仪，可在一定频率和磁通密度下对其进行分离。低频下，铁氧体材料以磁滞损耗为主，其值为磁滞回线的面积与频率的乘积，所以与矫顽力Hc的大小密切相关，配方中Fe2O3含量增加，可使Hc降低，因而磁滞损耗也相应降低。而高频下剩余损耗占主导地位，这种损耗是由畴壁共振产生的，通过细化晶粒，减少畴壁，抑制畴壁共振，从而降低剩余损耗。另外，配方中Fe2O3含量增加，或者ZnO含量减少，导致初始磁导率下降，使f特性的共振频率移向高端，也可抑制剩余损耗。涡流损耗与频率的二次方成正比，通过在晶界形成高电阻层可减小涡流损耗。一般认为涡流损耗与电阻率成反比。在前述增大Fe2O3含量以降低磁滞损耗和剩余损耗的措施中，涡流损耗也可以随之降低。虽然，随着Fe2O3含量的增加，Fe2+的生成量也随之增加，Fe2+ Fe3+之间的电子迁移加剧，会造成一定温度下电阻率下降，但是随着Fe2O3含量的增加，功耗随温度变化Pcv-T曲线的谷点向低温移动，这个温度点(谷点)的磁心损耗值最小，因而其直流电阻率也相应最大。综上所述，合理选择配方，调整Fe2O3含量，优选合适的添加物，可以使-T曲线平坦(即K1-T曲线平缓)，获得平缓且低值的Pcv-T曲线，使材料在较宽温度范围保持低功耗。在全面降低三种损耗、改善温度特性的同时，不少研究者9都重点研究了磁滞常数B的降低方法，同时还研究了磁心形状和线圈结构与B三者联合作用对磁心电感总谐波失真THD的影响。通过对THD的改进，推出了一系列低磁滞损耗材料。如日本早期推出的高Q材料优铁氧体2001F，其h10为15；超优铁氧体1000SF的h10为4(h10=5.03107B，单位为mT-1)；德国EPCOS公司N48材料B为0.410-6/mT；N45材料B为0.310-6/mT；而荷兰Philips公司等同于N45的3B46材料其B为0.1210-6/mT。h10与B之间的换算可参阅文献10。值得注意的是，同一材料不同频率和磁通密度下测得的Pcv-T曲线其形貌走势并不完全相同，特别是谷点不能完全重合而有所偏移，这是因为三种损耗随频率和温度的变化趋势各不相同，则三者间的比例和组成的总损耗值都不会同步变化。最近在网上看到某种功率材料25kHz至500kHz的四组Pcv-T曲线几乎平行，低温功耗值与高温功耗值完全相同，钦佩之余，甚感迷惘，假如该公司公布的资料没有出错，则再把Bs值提高一个档次，应当属顶级的宽温功率材料。高材料方面，在提高磁导率降低损耗的同时，也重点降低了比磁滞损耗B值，以适应高速发展的网络通信磁心的低失真要求。如日本TDK公司DN40材料B为0.810-6/mT，推出DN70时B已降为0.210-6/mT，NICERA公司10TB材料则降为0.1210-6/mT，EPCOS公司去年公布的i13000的T66材料则把比损耗系数tg/i降到110-6(10kHz)以下，而B保持在0.510-6/mT水平。总之，降低损耗，降低谐波失真已成为Mn-Zn铁氧体性能改进的一大亮点。三、宽温、宽频特性宽温软磁材料适用于航天、舰艇等国防武器装备系统和民用家电仪器仪表等关乎国计民生的众多部门，特别是现代通信设备的户外设施，如中继器、增音机、微波接力站、海底光缆系统的水下设备等等。如东磁公司去年开发并迅速投产供应外商的几种宽温高直流叠加特性的网络通信用小磁环，最终要求在-40+85宽温范围、100kHz及100200mV交变场下，叠加8mA直流，电感量满足相应要求。有些用户要求温度上限直达航天标准125，这种材料去年六月TDK公司推出时型号为DN45，专用于高速局域网(HLAN)脉冲变压器，直流叠加特性要求的温度范围是070，到九月又改进推出DNW45，把温度范围扩展至-40+85，与此同时美国STEWARD公司11也推出了-40+85相同性能的46#材料，宽温高直流叠加特性材料的市场竞争情况由此可见一斑。高材料的宽温指标也一再刷新，如日本NICERA公司12WT-10和TDK公司H5C4材料均要求-23(-20)初始磁导率大于9000，而前文所述EPCOS公司的T66材料在-40+80间-T曲线特别平坦，见图1。与此同时，各公司推出的宽温材料基本上都具有宽频特性，上述高材料在100kHz时初始磁导率均不下降。东磁公司综合最新材料特性，由博士后科研工作站领衔主攻宽频宽温低损耗高稳定R15KTF材料，其性能指标优于目前为止性能最全面的T66(i 13000)材料，同时又综合了日立公司MP15T(i 15000)材料宽频低磁损特性，制定了性能独特的攻关目标，其主要指标为：i=15000；tg/i110-6(10kHz)；B15000。图24是几种高材料的-T曲线，其中STEWARD公司40#材料直到300kHz i还没有下降，这是当前最好的宽频10K材料。在此基础上改进配方的高材料还大大提高了宽频阻抗特性。ii(25)/(25)tg/iB=0.25mT,T=25B=0.25mT,T=25f/MHzT/图1 EPCOS公司T66材料温度曲线 图2 STEWARD公司40材料磁谱曲线B=0.25mT,T=25B=0.25mT,T=25f/kHzf/kHz图3 日立公司MP15T材料-f特性 图4 EPCOS公司T66材料磁谱曲线高Bs低功耗材料向宽温宽频特性方面拓展的工作更是有声有色，日本TDK公司去年推出PC95材料，基本上把PC44、PC45、PC46、PC47材料PcvT曲线的谷点连接起来，实现了平缓PcvT曲线的宽温低功耗特性，今年十月，又在PC33和PC44材料的基础上，推出了宽温高Bs PC90材料，刷新了TDK公司所有功率材料的高温直流叠加特性记录。事实上，荷兰Philips公司和日本FDK公司在宽温宽频两方面的工作更为出色。如Philips公司的3C92材料，100Bs值为460mT，140还有400mT，100kHz、200mT、100条件下Pcv350mW/cm3；而3C93材料500kHz、50mT、140条件下Pcv300mW/cm3；FDK公司4H45、4H47直到将要公布的4H50，均把高温Bs推向了新的水平，且由于i的降低，功率材料的应用领域则推向了更高频率。综合PC50及3F4高频功率材料的特点，2002年东磁公司即推出了广谱宽频DMR1.2K系列材料14,15，其应用频率已拓展到5.64MHz，磁心器件高频性能得到了美国Pulse公司的好评，在Mn-Zn功率材料高频应用方面已领先国内外同行。此后又提高Bs值，开发了DMR1.2KB材料，100Bs已达到450mT，以此为基础，在市场的推动下，我们按高Fe2O3低ZnO配方优选有效掺杂的思路，又开发了DMR2KP和DMR1.2KH及DMR33材料。此外，与TDK公司PC45-PC47及PC95、PC90材料性能相同的东磁功率铁氧体系列新材料都已由国内外专家和博士后人员协作开发成功，正加速向产业化过渡。这些骄人的先导型成果显示了我公司创新群体高瞻远瞩、勇攀高峰的宏伟气魄和卓越技能。在今年8月美国旧金山召开的第九届国际铁氧体会议(ICE-9)上，东磁公司有七篇成果论文被选中发表，我们的工作得到了国际同行的肯定。在本文结束之际，特将东磁公司Mn-Zn铁氧体材料体系的开发思路附上，供广大用户和同行参阅，恳请提出宝贵意见。参考文献1何时金，等，宽温软磁材料的现状与开发J，国际电子变压器，2004，(8)：192198；2EPCOS网上产品目录，，2004；3PHILIPS网上产品目录，，2004；4FDK网上产品目录，http:/www.fdk.co.jp，2004；5TDK网上产品目录，http:/www.tdk.co.jp，2004；6阳开新，磁心在直流预磁化状态下的特性J，国际电子变压器，2004，(6)：175181；7明石雅夫，高性能锰锌铁氧体“超优铁氧体”，电子材料(日)，1970，9(11)：2127；8金鑫，双重特性Mn-Zn铁氧体高Q高Bs材料A，第三届永磁及软磁铁氧体技术交流会论文集C，2004；9颜冲，用于XDSL变压器的铁氧体磁心R，东磁科技论文集，第二卷，2004：2023；10刘九皋，宽频高软磁铁氧体材料的设计参考J，国际电子变压器，2002，(10)：200208；11STEWARD公司网上产品目录，，2004；12NICERA公司网上产品目录，http:/www.nicera.co.jp，2004；13HITACHI公司网上产品目录，http:/www.hitachi-metals.co.jp，2004；14邵顺中，广谱宽频低功耗DM1.2K材料J，磁性材料及器件，2002，33(4)：2123；15横店集团东磁股份有限公司(DMEGC)软磁材料产品目录，2004。13东磁公司高磁导率软磁铁氧体材料开发思路R30K(TDK H5C5)i:30000tg/i：1510-6(10kH，25)Bs： 380mT(25)；Tc： 110R18K(Tokin 18000H)i:18000tg/i：1010-6(10kH，25)Bs： 360mT(25)DF：210-6；Tc： 110R15K(TDK H5C3)i:15000tg/i： 710-6(10kH，25)Bs： 360mT(25)DF：210-6Tc： 110R15KF(Hitachi MP15T)i:15000tg/i： 710-6(10kH，25)B：0.310-6；DF：110-6：210-6(2060)Bs：360mT(25)；Tc： 110i(100kHz) i(10kHz)R15KB(综合Nicera 15H，NEC/Tokin 15H,FDK 2H15)i:15000；B：110-6；tg/i： 710-6(10kH，25)：-0.52.510-6(-3070)Bs:430mT(25)；220mT(100)；Tc： 110R15KTF(综合EPCOS T66，Hitachi MP15T )i:15000；B：0.510-6；tg/i：15000WTWfWfBsR12KTF(综合TDK H5C4，ACME A121 )i:12000； 9000 (-20)tg/i： 710-6(10kH，25)Bs：380mT(25)；Tc： 120DF：210-6；B：12000R12K(NEC/Tokin 12H)i:12000tg/i： 710-6(10kH，25)Bs： 380mT(25)DF：210-6Tc： 120R12KF(ACME A121 )i:12000； tg/i： 710-6(10kH，25)Bs：380mT(25)；Tc： 120DF：210-6；B：9000 (-23)tg/i：210-6(10kH，25)Bs：430mT(25),260mT(100)tg/i：210-6(10kH，25)Tc： 130；B：0.310-6i(160kHz) i(10kHz)R10KD(Nicera 10TB)i:10000；B：0.1210-6tg/i：310-6(100kH，25)：0.610-6(-25+55)Tc： 130;B：0.1210-6R10KBi:10000；B：0.310-6tg/i：510-6(10kH，25)Bs：440mT(25),260mT(100)Tc： 130R10K(TDK HS10，H5C2)i:10000tg/i：3010-6(100kH，25)Bs： 400mT(25)Tc： 130BsWfBsTHDR7KD(TDK DN70)i:7500；B：0.210-6；tg/i：210-6(10kH，25)Bs： 410mT(25)Tc： 130;B：0.210-6R7K(TDK HS72)i:7000tg/i：6.510-6(10kH，25)Bs： 420mT(25)Tc： 130THDR5KB(TDK DN50)i:550；Tc： 210tg/i：1010-6(10kH，25)Bs：550mT(25)；380mT(100)PCV ： 550(25)；450(40)(100kHz,200mT) 1000(100)R4KD(TDK DN40)i:4000；B：0.810-6tg/i：2.510-6(10kH，25)Bs： 405mT(25)Tc： 140R5K(TDK HS52)i:5000tg/i：6.510-6(10kH，25)Bs： 420mT(25)Tc： 140THD，BsDC-BiasQ值，Bs，THDQ值，Df，THDWT，DC-BiasDMR4KBQ(综合EPCOS N45Philips 3B46)i:3800；Tc： 255tg/i：210-6(100kH，25)B：0.1210-6；：2.5410-6(5+25)-3110-6(25+55)DMR2KD(综合Tokin 2001FEPCOS N48 )i:2000；Tc： 170tg/i：2.310-6(100kH，25)B：0.310-6;DF：210-6：0.51.510-6(0+60)DMR4KDC(综合TDK DNW45STEWARD 46)i:4000；Tc： 150tg/i：2500注：Pcv单位kW/m3；B、h10单位mT-1；Bs单位mT；材料名称后缀字母“B”为高Bs材料；“Z”为高阻抗材料；“D”为低损耗或低谐波失真材料；“DC”为高直流叠加特性材料；“F”为宽频材料；“T”宽温材料；“TF”为宽温宽频材料；“Q”为高Q材料。东磁公司功率铁氧体开发思路DMR93 ( Philips 3C93)i:1800Bs:520(25)430(100)360(140)Pcv：140 100kHz 200mT 350 500kHz 50mT 300DMR1.8K (ISKRA 55G、ACMEP51)i:1800Bs:400(100)Pcv: 100kHz 100mT 70 100 300kHz 100mT 330400kHz 50mT 120500kHz 50mT 180DMR50BBs ,Pcv,TPBs ii:1300Bs:510(25) 410(60)DC-BiasPcv: 100kHz 100mT 150 100 400kHz 50mT 120500kHz 50mT 1501MHz 30mT 180 BsDMR50 (TDK,PC50；ISKRA75G)i:1400Bs:470(25) 380(100)Pcv: 500kHz 130(25)50mT 80(80)80(100)DMR1.2Ki:1200Bs:500(25) 420(100)Pcv：100，1MHz 30mT 150 3MHz 10mT 2605.64MHz 2.5mT 150DMR2KP(FDK4H45)i:2000Bs:520(25)450(100)Pcv：100kHz 200mT 100 450 Bs, f,iBs, f,iBs fBs fDMR33 (TDK PC33)i:1400Bs:520(25) 440(100)Pcv: ： 1100(25)100kHz 600(100)200mT 680(120)DMR1.2KH (FDK4H47)i:1200Bs:530(25)470(100)Pcv：100kHz 200mT 100 650DMR92( Philips 3C92)i:1500Bs:540(25) 460(100)400(140)Pcv：100kHz 200mT 100350i,fDMR90(TDK PC90)i:2200Bs:540(25) 450(100)Pcv: 100kHz 680 (25)200mT 470 (80)320 (100)DMR40Bi:2600Bs:520(25) 410(100)Pcv:：100 100kHz 200mT 550200kHz 100mT 320 400kHz 50mT 220DMR40(TDK PC40，Philips 3C94)i:2300Bs:510(25) 390(100)Pcv: 100kHz 600 (25)200mT 410 (100)500 (120)Bs ,PcvBs DC-BiasPcv,DMR95(TDK PC95)i:3300Bs:530(25) 410(100)380(120)Pcv: 100kHz 350 (25)200mT 280 (80)290 (100)350(120)DMR44(TDK PC44，Philips 3C96)i:2400Bs:510(25) 390(100)Pcv: 100kHz 600 (25)200mT 300 (100)380 (120)Bs ,Pcv-WTBs, Pcv，TPDMR47(TDK PC47)i:2500Bs:530(25) 420(100)Pcv: 100kHz 600 (25)200mT 400 (60)250 (100) TP=100360 (120)DMR46(TDK PC46)i:3200Bs:520(25) 410(100)Pcv: 100kHz 350 (25)200mT 250 (45) TP=45660 (100)760 (120)DMR45(TDK PC45，Philips 3C96)i:2500Bs:530(25) 420(100)Pcv: 100kHz 570 (25)200mT 250 (75) TP=25 460 (100)650 (120)注：Pcv单位kW/m3；B、h10单位mT-1；Bs单位mT；材料名称后缀字母“B”为高Bs材料；“Z”为高阻抗材料；“D”为低损耗或低谐波失真材料；“DC”为高直流叠加特性材料；“F”为宽频材料；“T”宽温材料；“TF”为宽温宽频材料；“Q”为高Q材料。1直流偏磁场、交变工作场与增量磁导率 软磁铁氧体材料作为电感器或变压器磁心的应用十分广泛。在电子电路中，往往要通过磁心绕组的偏流给固体电子器件建立一个适宜的工作点，以使其处于某一要求的工作状态。这种电路中给直流偏压的常用手段，在磁心绕组中则产生一个直流偏磁场，即所谓DC-BIAS。 直流偏磁场的出现使磁心被磁化了，但电感器和变压器中磁心绕组的主要工作任务是用来传输交变信号或功率变换的，因而在实际应用场合，交变磁场与直流磁场同 时作用于磁心，则磁心处于交直流叠加状态，通常简称直流叠加。在较低的交变场下，由于场强振幅远低于矫顽力，所以产生的磁滞回线呈椭圆形。如通信线路的音 频变压器、滤波器即工作在此状态。在较高的交变场下，随着场强幅度的高低，所产生的磁滞回线也随着工作点的变化而呈现不同倾斜状态，如图一所示。这些小磁 滞回线的倾斜度可用它的平均斜率来计量，称作叠加磁导率，即增量磁导率，从图中可看出： 当交变场即工作场足够小时，磁心制造厂家通常在规定的频率下用较小电压（或电流）测量处于直流偏置下的磁心电感量，即H0时，这时外推的增量磁导率 就等于可逆磁导率rev，又假如此时直流偏置场也足够小，即 0时，这时的可逆磁导率rev就等于起始磁导率i，但是磁心的使用者，也就是电感变压器的制造商，他们设计时，却并不是这种理想的极端状态。增量磁 导率与可逆磁导率rev，并非单纯受磁场强度的作用，而是与磁化过程有关，文献1给出了相关曲线，如图二所示。 当直流磁场由 退磁状态开始逐渐增大，在叠加了一个振幅为H/2的交流场以后，磁化曲线上则出现了尖叶状的磁滞回线。当H足够小时，其平均斜率与可逆磁导率近似相 等。小磁滞回线的倾斜度随着直流磁场的增大而变小，到饱和时，和rev接近于1，通常功率变压器和开关电源的设计者并不把工作点选到饱和状态。一般 为可用磁通密度，即饱和磁通密度Bs的80%，约400mT左右。而磁心制造厂家，通常测试功耗和振幅磁导率的Bs远低于此值，产品检测条件与使用条件的 差异，使得磁心制造者与磁心使用者之间有时很难取得对某些性能一致的看法，当沟通不充分时，甚至还会产生制造者不得不降低一些优异性能，而用削足适履 的下策以适应设计者的初始要求，因为这些要求往往是在设计者只能用最初获得的一般样品制作时所限定的。 2交直流叠加状态分析与改善叠加特性的方法 文献2全面分析了磁心在直流预磁化下的特性，指出在功率铁氧体的应用中，很多情况下是方波脉冲电压决定的脉冲磁化，而且单极脉冲磁化在功率铁氧体应用 中更为普遍。图三所示为不同的直流偏置和不同的脉冲幅度下，三种典型的小磁滞回线，小回线(1)是经常遇到的典型回线，也就是功率铁氧体磁心的典型工作状 态。 当脉冲幅度较大时，其磁化过程如图四所示，从图中可以看出，经过几个脉冲后，小磁滞回线存在起始点，以后重复的脉冲磁化的起始点始终没有变化。这时起始点 为0，即磁心材料的剩余磁通密度Br处。增量磁导率为磁通密度增量与磁场强度增量之比。即增量磁导率与尖叶形小回线中心线的斜率成正比。斜率越 大，越高，从图四可以看出，材料Br越低，小回线中心线斜率越大，则越高。这与磁性材料基础理论中所讲的一致，即材料磁滞回线呈倾斜型恒导回线 时，Br越低，磁导率在直流场下稳定性越好。换句话说，要改善材料的交直流叠加性能，在保证高Bs值的前提下，还必须尽力降低Br值。 为了使磁心工作在较大磁通密度下不致于饱和，通常在磁路中加开气隙，气隙处则建立一个减退磁化作用退磁场Hd，它与磁化强度M的方向相反，与退磁因子N成正比。即： Hi = H - Hd = H - NM 式中H为磁化磁心的外磁场、Hi为加开隙后磁心内实际场强，N为退磁因子，其值近似为磁路气隙lg与有效磁路长度le之比。气隙lg越小，磁滞回线倾斜程度越小，则Br越大。反之，气隙越大，磁滞回线越是倾斜，Br越小，则交直流叠加性能越好。如图五。 综上所述，改善直流叠加特性的途径为：制造者使材料Bs提高，Br降低，特别是降低Br更可行；使用者则尽可以加开磁路气隙，选用有效磁导率e较低的磁心系列。 3磁心设计选用与参数计算 对加开不同气隙，即具有不同有效磁导率e的磁心，在不同直流偏置场下，其电感量的变化，必须借助一系列性能曲线来进行计算，文献3给出了这种设计方 向，如图六表示增量磁导率随直流偏置的变化规律。由图可见，随直流偏置磁场增大而下降。如果在磁路中引入气隙，将产生两种影响：没有直流偏置场 时，气隙使有效磁导率降低，而气隙对的影响还与直流偏置磁场的大小有关，当直流偏置场较低时，气隙使下降，当直流偏置场超过某一值时（决定于气隙 lg与磁路长度le的比值），气隙使增大。在实际工作中，常常测出在不同气隙长度下，随直流偏置场的变化曲线。由图6所示的曲线可见，对应于某一 直流偏置场，就有一个相应的气隙长度，给出最大的增量磁导率。在设计器件时，这些曲线对于确定直流偏置场很有帮助。但是，尚不能利用这些曲线设计带有 直流偏置磁场的电感器或变压器。原因是，即使已知要求的电感量，若没有确定值，仍然无法确定所需匝数，也就无法确定安匝数。这个问题可以用哈纳 （Hanna）曲线来解决。 1927年，哈纳提出了对于给定磁心材料，在一定的电感量以及直流偏置电流下，精确确定气隙尺寸的方法，能够使设计者在满足一系列特殊要求下，得到最佳气隙尺寸。 图六表示，在绕组中通过直流电流时，引起磁心饱和，电感量下降。从这些曲线的规律可见，气隙的引入不仅使电感量降低，而且随气隙长度的增大，电感量的降低也愈来愈大。气隙长度愈大，在磁心饱和以前通过的直流电流愈大。 电感量一定时，确定磁心最佳气隙的方法是：根据要求的电感量，确定磁心的尺寸；其次，选取导线的直径d0；选择d0的根据是：具有最小直径的导线在通过直 流电流时，导线不出现过热，即在导线上的电压降IR不能太大。然后再考察这种磁心及导线所构成的电感器，在受到直流偏置场作用下，是否出现饱和。如果出现 饱和，必须引入较大的气隙，同时，为了克服由此引起的电感量的下降，需要适当增加匝数。有时，需要选用尺寸较大的磁心。这种过程要反复进行多次，直到确定 适当大小的磁心和气隙，以使在直流偏置作用下，磁心不会饱和。 文献1介绍了利用哈纳曲线，交直流场叠加场合下，设计线圈的方法。由不同频率组成的电流，流入一只线圈，频率愈低的部分电流所产生的阻抗愈小。扼流圈 就是运用这种特性。它对直流电流的影响很微小，但对交流电流却起着很大的减弱（扼止）作用。这种线圈的磁心通常承受一个较强的直流磁场和一个较弱的交流磁 场，因此磁心在交流场中的性能变化情况可以用可逆磁导率rev的变化来描述，在一般情况下，这已是一种满意的近似方法。rev以及交流阻抗将随直流电 流强度i提高而下降，直流电流强度是总电流的时间平均值。通过开气隙能够克服上述不利于扼流的作用，因为有了空气隙以后，一定的直流电流强度在磁心材料中 形成的直流磁场强度将减小，但是在设计线圈时必须确保值的减小远远大于由于空气隙而造成磁导率的降低，为此需要通过有效可逆磁导率rev和直流磁场强度 （N表示匝数，le表示有效磁路长度）的相关曲线来表示，该曲线是在不同的气隙度下测得的。图七（a）表示一种i=2200材料制造的罐形磁心的这种曲 线，是从初始磁化曲线上测得的。采用有效起始磁导率e(它在0时和rev值相等)标志气隙度的大小，磁心的气隙度愈大，则e愈小，所以曲线族愈向 下压缩。同时曲线族也向右压缩，因为需要比较大的磁场强度，才使磁心的磁导率陡峭下降（材料内部的磁场强度总是相同的）。根据上述说明，曲线族的包络线表 示在一定的值下可能的最大有效可逆磁导率rev，而与该包络线相切的各个曲线则分别表示各自所需的有效（起始）磁导率e。 这样一组曲线族还不能直接满足使用者的要求，用它来确定磁心与绕组的结构与尺寸，使用者希望得到一种图表，它不是给出磁导率和磁场强度，而是能够给出所期望的线圈数据和工作数据（交流磁场电感量Lrev、直流电阻R0和直流电流强度），并根据这些数据能够得到气隙度和匝数。为达此目的则应借助哈纳（Hanna）曲线图七（b）。从图七（a），采用rev和组成的新数值： 将这个数值取代erev画出曲线。 表示一种能量的大小，但它仅仅是一项表示直流电流和交流电流综合在一起计算数值。一般把单位体积内所贮存的能量/Ve称为磁化的预加载，磁心的标称有效Ve=leAe是依据磁心的几何尺寸求得，在IEC205标准和有关国家标准中都有这些有效参数的计算方法。 下文将详述有关气隙度、绕组匝数与磁心尺寸的相关内容。 图七（b）表示，如果磁心型号和直流电流强度 确定以后，则在每一种气隙度的曲线上找到在一定的外磁场强度和 一定的匝数N时使Lrev达到最大值。但是从哈纳曲线上不能读出相应的最佳气隙度，仅仅可以知道磁心的气隙度愈大，可能达到的电感量愈大，它的极限是由直 流电阻R0决定的，是因为要求直流电阻R0尽可能地小，但是由于永远是一个给定的条