晶納米晶磁環(huán)與共模電感、可飽和電感的開發(fā)應(yīng)用
簡述
隨著電子信息產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展，高頻開關(guān)電源的三大主力市場：通信、計(jì)算機(jī)和消費(fèi)電子也將得到迅速發(fā)展。無論是AC/DC或DC/DC電源，除功率晶體管外，由高性能磁性材料制成的主變壓器、扼流圈及其他電感器（如抗噪聲濾波器）是極重要的元件，其磁性能和尺寸直接關(guān)系到電源的轉(zhuǎn)換功率和功率密度等。
非晶納米晶軟磁合金材料的帶厚和電阻率決定其最佳應(yīng)用頻率范圍是KHz頻帶，正好與目前高頻開關(guān)電源頻帶相重合，所以高頻開關(guān)電源用非晶納米晶合金磁性器件的研究開發(fā)應(yīng)用工作非常活躍。多年來我們不僅研究開發(fā)了多種規(guī)格的非晶納米晶合金的O型、C型、CD型等開關(guān)電源功率變壓器鐵芯應(yīng)用在中頻電源、逆變電源、程控交換機(jī)及逆變焊機(jī)用電源變壓器等，而且通過熱處理方法、工藝及加工技術(shù)等來調(diào)整其軟磁特性，研制開發(fā)了有效磁導(dǎo)率μe從幾十到幾萬的系列電感鐵芯來滿足高頻開關(guān)電源中另一類重要的磁性器件——電感特性需要，尤其是高頻大功率大電流開關(guān)電源的各類電感器件。這些高新技術(shù)產(chǎn)品成功應(yīng)用，不僅提高非晶納米晶合金材料及器件的技術(shù)水平和生產(chǎn)能力，而且還促進(jìn)非晶產(chǎn)業(yè)化的發(fā)展。
高頻技術(shù)的廣泛應(yīng)用，人們對(duì)電磁兼容(EMC)、噪音污染等問題越來越重視，抗EMI技術(shù)現(xiàn)已成為一門新型的技術(shù)和新型的產(chǎn)業(yè)，解決電子設(shè)備的電磁兼容性更加迫切，各種各樣的抗電磁干擾抑制噪音等磁性器件得到廣泛應(yīng)用，這些器件的關(guān)鍵元件之一就是電感器件。
我們利用非晶納米晶合金材料的性能特點(diǎn)并結(jié)合前人的工作基礎(chǔ)，研究開發(fā)應(yīng)用非晶納米晶合金材料系列電感器件，不僅開展了較為成熟的橫場退火法和帶氣隙非晶納米晶電感鐵芯的工作，而且在國內(nèi)首創(chuàng)鐵基納米晶合金的磁粉芯和鐵基非晶無間隙寬恒導(dǎo)電感系列化產(chǎn)品器件的研究開發(fā)，取得良好的應(yīng)用效果，現(xiàn)已形成有效磁導(dǎo)率μe從幾十到幾萬的系列電感鐵芯產(chǎn)品，滿足不同用戶的需要。
共模電感、可飽和電感及尖峰抑制器等均為小信號(hào)工作狀態(tài)，要求電感量越大越好。依據(jù)L=0.4πμeN2Se/100×l(μH)式中:μe：有效磁導(dǎo)率S：有效截面積(cm2)N：繞線匝數(shù).
l：平均磁路長度(cm)由此可知，同樣尺寸規(guī)格的磁芯，有效磁導(dǎo)率μe越高電感量越大，因而非晶納米晶合金制備的共模電感、可飽和電感及尖峰抑制器等具有以下性能特點(diǎn)：
1. 有效磁導(dǎo)率高，電感量大，體積小；
2. 矯玩力低，損耗低；
3. 繞線匝數(shù)少,分布電容小；
4. 高飽和磁感，處理噪音尖峰效果好；
5. 居里點(diǎn)高、溫度穩(wěn)定性好；
6. 良好的頻率特性;非晶納米晶合金的高磁導(dǎo)率，可以大大減小共模電感及尖峰抑制器的磁芯尺寸，尤其上在大電流大功率使用場合，選用該類合金用作共模電感磁芯，具有良好的性價(jià)比。即使與廉價(jià)的高性能鐵氧體相比也不遜色，一般這類鐵氧體的磁導(dǎo)率μe在1萬左右，而鐵基納米晶合金的磁導(dǎo)率一般可達(dá)8~12萬，同樣電感量的要求下后者的磁芯尺寸只有前者的1/8~1/10，而兩者的價(jià)格差在6倍左右，顯然鐵基納米晶合金具有一定的競爭力。如在某軍用三相開關(guān)電源中，工作電流為100A，一只φ130×φ90×30mm常規(guī)微晶合金磁芯替代了4只φ130×φ70×50mm高性能鐵氧體磁芯，且有一定的性能富余。由于開關(guān)電源技術(shù)的廣泛應(yīng)用，抗電磁干擾的共模電感已是許多電子設(shè)備中必不可少的器件，除考慮50Hz的工頻外，還對(duì)高頻性能有一定的要求，采用具有高磁導(dǎo)率低Br非晶納米晶材料制作這類電感器件將是最佳的選擇。
表一. 鐵基納米晶合金共模電感的磁性能
開關(guān)電源的一大缺點(diǎn)是容易產(chǎn)生噪聲干擾，其噪音主要上由于開關(guān)功率管和開關(guān)整流管中快速變化的高壓切換電流和脈沖短路電流引起的，現(xiàn)在大多采用非線形飽和電感來抑制反向恢復(fù)電流尖峰的辦法來抑制噪音。這類尖峰抑制器中的電感器件體積小電感量大，因而要求電感磁芯材料具有很高的磁導(dǎo)率，以往都使用鈷基非晶來制作這類可飽和電感器件，由于Co含量高、價(jià)格貴，近年來，通過對(duì)Fe基納米晶合金的成分調(diào)整、加工及熱處理工藝改進(jìn)等，研制開發(fā)出4Fe基納米晶合金替代Co基非晶制作這類小尺寸可飽和電感系列鐵芯，大大降低了鐵芯的成本，滿足這類抗噪音干擾器件的市場需求；現(xiàn)在這類鐵芯還被推廣應(yīng)用為矩形比要求更高的磁放大器鐵芯。
橫場熱處理退火法
橫場熱處理退火法制備線性非晶納米晶合金電感鐵芯是借用以往坡莫合金磁場處理方法來加工制作，鐵芯磁導(dǎo)率μe主要決定于外加磁場大小。由于這類電感鐵芯加工較煩，線性范圍不是很大，除對(duì)線性度要求很高的電感器件外，大多不使用該方法處理的鐵芯用作電感，市場需求量不太大，不多敘述。
無間隙寬恒導(dǎo)電感材料及器件鐵基非晶無間隙寬恒導(dǎo)電感器件是Fe基非晶合金材料一個(gè)新的應(yīng)用領(lǐng)域，盡管在八十年代國內(nèi)外都有這方面研究報(bào)道，但未達(dá)到工業(yè)化、應(yīng)用化、商品化，九十年代以來美、日、韓等國相繼利用美國Fe基非晶合金研制開發(fā)非晶合金電感鐵芯系列用作高頻電感器件如AMC、AMB、AMS等，該電感具有以下性能特點(diǎn)：高頻損耗低；磁導(dǎo)率高；飽和磁感Bs高；尺寸小；在一定磁場范圍內(nèi)具有線性磁導(dǎo)率，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用在開關(guān)電源(SMPS)，DC/DC、AC/DC轉(zhuǎn)換器，UPS，噪音抑制器等。我們?cè)贔e基非晶合金2605S-2基礎(chǔ)上研究開發(fā)應(yīng)用這類無間隙寬恒導(dǎo)電感材料，通過材料及加工工藝研究，開發(fā)出有效磁導(dǎo)率μe范圍200-20000，鐵芯規(guī)格外徑φ16~50mm、內(nèi)徑φ8~30mm、高度8~30mm系列無間隙寬恒導(dǎo)電感器件，滿足不同用戶的使用要求。
