張占松：帶氣隙的磁心系數(shù)特性及磁心使用方法

    為了制作開關(guān)電源的變壓器 或電感器選擇磁心，必須對磁心概況有深入了解。而目前電源設(shè)計(jì)人員往往忽視了這一點(diǎn)。張占松教授介紹，在高校的電子電子等專業(yè)中也少涉及到磁性的內(nèi)容，這給從事開關(guān)電源設(shè)計(jì)的工作帶來了很多麻煩.

    磁心按歷史發(fā)展過程分為三類。金屬—鐵粉心—鐵氧體。以前電機(jī)、變壓器是工作在工頻50Hz。此時用高磁導(dǎo)率、高B值金屬作鐵心很合適，隨著工作頻率提高鐵心產(chǎn)生大的渦流。因此用這種金屬粉末與絕緣材料在不同比例下混合壓制成形，經(jīng)燒結(jié)成硬體磁心，這就統(tǒng)稱為鐵粉心；隨著科技的不斷發(fā)展，上世紀(jì)中頁開發(fā)了新一類的磁心稱為鐵氧體，它寶貴的優(yōu)點(diǎn)是有較高的磁導(dǎo)率、電阻率，其值比鐵粉心高出很多，在10³～10⁶Ω·cm范圍內(nèi)，這樣就為縮小體積高頻化工作場合提供了既廉價又有較好電磁特性指標(biāo)的磁心，但不足之處是Bs值低，傳遞功率不及前面二類磁心。如此說來，80年代后風(fēng)行的高頻開關(guān)電源功率不大的變壓器。電感器較適合用鐵氧體。所以總體而論，金屬—鐵粉心—鐵氧體排列順序體現(xiàn)了功率處理越來越小，工作頻率是越來越高，允許放置的地域空間也是越來越小。近年來其中非晶納米晶多種金屬粉末混合的磁粉心出現(xiàn)許多新的特色，顯示了不可替代的活力，引起人們不少的關(guān)注。但在性能穩(wěn)定上還有待改進(jìn)。

    我國磁心制造業(yè)雖然起步較晚，但是已執(zhí)行與國際接軌的自定的國標(biāo)，而且工藝方面特色顯著，開關(guān)電源使用方面在扼流圈、磁珠、防雷、抗EMI、EMC等處磁元件非常之多。其中國產(chǎn)的高頻穩(wěn)定鐵粉心，非晶粉心、鐵氧體達(dá)到相當(dāng)高的技術(shù)指標(biāo)。例如上海鋼鐵研究所的高頻粉心工作頻率在1kHz～1MHz,電感變化量為0.77%，100kHz時的Q值是鉬坡莫粉心的8倍。我省珠江三角洲地帶多家合資企業(yè)產(chǎn)品在國際上有很高的地位。再如浙江省東磁公司致力從事新型磁性材料與器件的研發(fā)，產(chǎn)品產(chǎn)業(yè)化孵化、磁材檢測體系標(biāo)準(zhǔn)化。為此設(shè)立研究院投資6000萬元。已研發(fā)的有用于LCD PDP的電源變壓器 MnZn鐵氧體DMR90,使用一般開關(guān)電源變壓器液晶顯示背投電源變壓器的DMR95,適用輸出濾波電感的DMR24,適用于便攜設(shè)備（非背投照明）開關(guān)電源變壓器的DMR46, 有可工作2.5～5.6MHz的高頻軟磁低功耗材料DMR51,還有抗EMI用DN1502鐵氧體材料。

 隨后張老師介紹了開關(guān)電源磁元件—電參數(shù)處理的幾點(diǎn)體會：
1. 磁損耗銅損耗及附加損耗是影響效率關(guān)鍵。在磁損耗方面決定了△B值需慎重。選擇磁心材質(zhì)方面也重要。鐵氧體和磁粉心的磁損耗，一般前者很小，后者很大。用的工作頻率也很重要，甚高頻時（大于100MHz）鐵氧體磁損也要經(jīng)數(shù)值計(jì)算。在大紋波電流也如此。
2. 在選擇導(dǎo)線及銅損耗方面，溫度系數(shù)要考慮進(jìn)去。一般所給是20℃下的直流電阻，工作升溫后電阻會增大。一般按0.43%/℃速率增加，例如，當(dāng)80℃時直流電阻值比20℃時上升了34.3%
3. 在扼流圈后面交流紋波仍不合要求時可以再設(shè)置第二級濾波器。這時一般采用開口狀磁棒磁心。這意味著有大氣隙尺寸，可以防止大直流電流下棒的飽和。選用鐵粉棒狀磁心有成本低的好處，而且一些初始磁導(dǎo)率的鐵粉心也可適用，因?yàn)闅庀洞蟮木壒省?BR>4. 當(dāng)出現(xiàn)EMI、EMC問題時，把鐵氧體改選為鐵粉心是個可試驗(yàn)的方法。由于鐵粉心氣隙分布在磁路全程中，從而相對磁場干擾就小很多。但注意到這種材料高頻損耗較大（相對鐵氧體而言）使用時，可以繞成單層繞組，目的是減少繞組間的等效電容，從而減少繞組兩端寄生的交頻噪聲，使電壓波形、電流波形更符合理論值。在改為鐵粉心后，如允許降低些工作頻率運(yùn)行，減少高頻磁損耗。這時降低△B擺幅值，或B值均有異曲同工之效。
5. 環(huán)形磁心由于機(jī)械強(qiáng)度保證的需求往往截面積稍大一些，這就直接影響到環(huán)形磁心的窗口面積，加上批量生產(chǎn)環(huán)形繞組繞線由繞線機(jī)進(jìn)行，會剩余較大窗口面積（手繞線除外）。
因此環(huán)形磁心溫升驗(yàn)證容易過關(guān)，決定選擇環(huán)形磁心的條件是磁的性能。這一點(diǎn)與通風(fēng)不良的E形磁心溫升是選擇的條件是截然不同的。
6. 磁滯回環(huán)的非線性特性磁心用在扼流圈時，使得小信號動態(tài)電感值減少，為了不減小一般引入氣隙。氣隙在此有使之線性化作用。但是在某些場合，人們不希望是線性化的，而且有非線性化功能。例如設(shè)計(jì)擺幅扼流圈。這種扼流圈在小負(fù)載時L值上升，使小負(fù)載時電流波形連續(xù)，系統(tǒng)運(yùn)行容易穩(wěn)定；中負(fù)載大負(fù)載時L值下降，有利于減小扼流圈的體積；過負(fù)載時仍有極低的L值，這樣可以使磁心不飽和，系統(tǒng)有一定過載能力。
7. 在開關(guān)電源設(shè)計(jì)中優(yōu)化法、表格法、和諾模圖法均是可行的。使用中各人均要摸石子過河，可以各有體會。現(xiàn)在，本人較推薦諾模圖法，因?yàn)樗�涉及參�?shù)較多，使用非常方便。