如何选择开关电源的磁芯?

时间:2010-10-20 08:45来源:世纪电源网

摘要:究竟是选择磁粉芯,还是铁粉芯?相信这个许多工程师在进行开关电源方案的设计中经常碰到。在高功率电感磁芯选择的问题上,磁芯、粉芯、铁硅铝以及铁氧体中的选择和比较是工程师经常探讨的问题。市场上高功率电感的磁芯选择还是挺多的,可供选择的电感材料有:铁硅铝(KoolMμ)、铁粉芯、铁硅(硅钢叠片)、间...

究竟是选择磁粉芯,还是铁粉芯?相信这个许多工程师在进行开关电源方案的设计中经常碰到。在高功率电感磁芯选择的问题上,磁芯、粉芯、铁硅铝以及铁氧体中的选择和比较是工程师经常探讨的问题。市场上高功率电感的磁芯选择还是挺多的,可供选择的电感材料有:铁硅铝(Kool Mμ)、铁粉芯、铁硅(硅钢叠片)、间隙铁氧体、钼坡莫(MPP)和高磁通 (High Flux)等。那么他们究竟有什么特性适合怎么样的应用呢?

 

磁芯材料比较

 

铁硅铝与间隙铁氧体

 

铁硅铝和间隙铁氧体是两种常用的材质,在软饱和方面,间隙铁氧体必须在下降曲线的安全区进行设计。铁硅被设计在受控制的下降曲线范围中,这样就能够提供好的容错特性,特别是在高功率时候。

 

在磁通量比较方面,假设特定的50%下降设计点,铁硅铝(Kool Mμ)的磁通量是间隙铁氧体的2倍以上, 这使磁芯的尺寸可缩小35%,设计时可以把磁芯的尺寸缩小30%至35%。

 

软饱和曲线使铁硅设计本身具有容错能力,而间隙铁氧体则没有。

 

铁氧体磁能力随温度变化,而铁硅保持相对稳定。很多铁氧体供应商或者厂家会给出产品在25℃到100℃不同环境下材质的差异。由于铁硅铝的材质及结构和间隙铁氧体不同,随着温度改变,变化不会很大。

 

在边缘损耗方面,铁硅不会发生边缘损耗,而间隙铁氧体有很大的边缘损耗。铁芯的间隙部分随着温度的增加损耗会增加。铁硅铝(Kool Mμ)也有间隙,但是这是均匀的分布式间隙,因为这个形式,在高功率的应用上会更好。

 

对于尺寸和储能,从铁硅铝(Kool Mμ)与锰锌铁氧体在LI2值比较中可以看出,当尺寸都是55mm的大小,测试铁硅铝用60μ,铁硅铝(Kool Mμ)在体积大小的情况下,储能大概是锰锌铁氧体的2倍多,如表1所示。

 

而当储能是一样的时候,LI2值一样,铁硅铝(Kool Mμ)体积缩小了很多,对于设计者来说,这有效缩小了设计尺寸。如表2所示。

 

 

 

如何选择开关电源的磁芯?(电子工程专辑)
表1.铁硅 与锰锌铁氧体之LI2值的比较

 

 

 

 

如何选择开关电源的磁芯?(电子工程专辑)
表2.铁硅 与锰锌铁氧体尺寸上之比较

 

 

 


 

间隙铁氧体也有很多优点,间隙铁氧体可以有很高的有效磁导率μeff,铁氧体可以在500 以上而铁硅 目前受限于μeff = 125。间隙铁氧体使用在一些低功率的设计时更为适合。

 

间隙铁氧体电感系数的公差值较低,如果工艺好的话,多数的铁氧体电感系数的公差值为 ±3,而铁硅 为 ± 12% 。

 

间隙铁氧体有较多种类的形状,有Pot Cores、EFD's、PQ's等等,而铁硅形状目前受限于 E-Core、U-Core & Blocks。

 

铁硅铝与铁粉芯

 

除了承受直流偏置外,开关稳压电感器还有一定交流电,通常在10kHz至300kHz。这种交流电流会产生高频磁场,造成磁芯损耗并导致磁芯变热。这种情况在铁硅铝(Kool Mμ)中会减少,因此电感更有效率,温度更低。

 

铁硅铝(Kool Mμ) 的磁芯损耗低于铁粉芯。关于接近零的磁致伸缩问题,铁硅铝(Kool Mμ)非常适用于消除滤波电感中的音频噪音。铁硅铝(Kool Mμ)在制造时没有使用有机粘结剂,因此,没有任何热老化的问题。所有铁硅铝(Kool Mμ)磁芯都能在200 ℃下连续操作,相对的,铁粉芯有磁致伸缩。

 

铁硅铝与硅铁

 

大型电感器中也会使用特级的硅铁叠片,通常是块状或条状。硅铁的优势在于饱和磁通密度较高。铁硅形状(E、U、I型的磁芯)也可以经过适当的构造应用于大型电感器。虽然硅铁有较高的饱和磁通密度,但铁硅具备更多优点,例如较好的软饱和度、很低的磁芯损耗、温度稳定性和较低的成本。图1为各种大型铁硅铝器件。

 

 

 

如何选择开关电源的磁芯?(电子工程专辑)
图1.各种大型铁硅铝器件

 

 

硅铁块具有离散间隙,与铁硅铝(Kool Mμ)的分步式间隙不同,因此随着电流增加,饱和出现要快的多。铁硅铝(Kool Mμ) 可利用饱和曲线的优点,设计出较小的电感器。

 

硅钢装配件中所用的环氧树脂中一般不能像铁硅铝(Kool Mμ)在200 ℃操作。

 

铁硅铝(Kool Mμ)成本低于同等大小的硅钢块。

 

在铁损的部分,铁硅的磁芯损耗远低于硅钢叠片。用20μ铁硅铝和硅铁相比较,在10kHz和50kHz的频率情况下,硅铁的磁损更厉害。

铁硅铝的特点和应用

 

铁硅铝(Kool Mμ)是什么呢?简单来说,它是由铝-硅-铁组成,它拥有相当高的Bmax(1050mT),它的磁芯损耗远低于铁粉芯及高磁通,有低磁致伸缩(低噪音),是低成本的储能材料,无热老化,可以用于替代铁粉芯,在高温下性能非常稳定。

 

总结一下铁硅铝的特点:适当的成本,优于钼坡莫合金/高磁通以及复合合金;较低的损耗,优于铁粉芯;高饱和度,优于间隙铁氧体;接近零的磁致伸缩,优于铁粉芯;无热老化现象,优于铁粉芯;软饱和,优于间隙铁氧体及复合合金。

 

铁硅铝(Kool Mμ)有六种磁导率(26μ、40μ、60μ、75μ、90μ和125μ)和三种形状 Toroids、 E core、 U core & Blocks。

 

铁硅铝应用包括功率因数校正扼流圈,升压/降压稳压器,直流输出电感器和回扫变压器。

 

大型铁硅铝 Kool Mμ应用在高电流 (功率)电感器、太阳能转换、UPS 不断电系统、混合动力汽车、风能转换和其他高电流应用。

 

除了大型铁硅铝,如图1所示还有一些平版型的铁硅铝。平版型的铁硅铝器件如图2所示。

 

 

 

如何选择开关电源的磁芯?(电子工程专辑)
图2.平版型铁硅铝

 

 

 

平版型的铁硅铝有两种选择,有传统的方型和圆形。如图3所示。

 

 

如何选择开关电源的磁芯?(电子工程专辑)
图3.方型和圆形的铁硅铝

 

 

 

相对方型的,圆形的有诸多优点,比如缩小整个电感器因绕制而增加的体积,在相同的匝数下减少绕线线长的使用,最小化的DCR (直流电阻),降低铜损,降低使用铜导线上的成本和整个电感器的绕制成本。

 

铁硅铝Kool Mμ (平板形) 的特点有应用于高电流的设计、漏磁减少至非常低、较佳的直流偏置特性、良好的散热效果和温度稳定性、具存储能量的高性能、可直接安装在PCB上。铁硅铝Kool Mμ( 平板形) 的应用有在DC/DC转换器、大电流扼流圈、电脑中的中央处理器圈。

 

综上所述,在磁芯的选择上,要着重注意四个问题:第一,选择合适的磁芯材料,铁硅铝(Kool Mμ)、钼坡莫合金、高磁通、铁硅合金或铁氧体,第二,选择合适的磁芯尺寸,包括形状和大小;第三,选择时要注意绕制上的考量,比如电流密度、绕线的长短和匝数;第四点,选择时要兼顾性能和成本。

 

 

 


 

 

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