高频磁性元件与磁性材料
陈 为 博士
[email protected]福州大学电气工程与自动化学院 教授,博导
中国电源学会常务理事,专家委员会副主席,
变压器与电感器专委会主任委员
第十一届电源网技术交流大会上海 2010年07月10日
磁性材料的分类
软磁材料的主要参数和特性
高频磁性元件对磁材特性的要求
主要的高频磁性材料及其特点
磁性材料的损耗测量
磁性材料的发展
主要内容
cH−
cH
μr大,易磁化、易退磁(起始磁化率大)。饱和磁感应强度大,矫顽力(Hc)小,磁滞回线的面积窄而长,损耗小(HdB面积小)。导磁作用,用于继电器、电机、以及各种功率变换
器高频磁件的磁芯。
矫顽力(Hc)大(>102A/m),剩磁Br大,磁滞回线的面积大,损耗大。
偏磁作用,磁电式电表、扬声器和永磁电机中永
磁铁。
Br接近BS ,Hc小,磁滞回线呈矩形,损耗小。
B
H
B
HcH−
cH
B
HcH−
cH 用于两态记忆元件,+/-脉冲H>HC/H
Slope=μi:Initial Permeability
Slope=μmax:Max. Permeability
Br:ResidualFlux Density
Bs:SaturationFlux Density
﹛
Hc:CoerciveForce
NormalMagnetizationCurve
Minor Loop
Slope=μΔ:Incremental Permeability
H
B
Bm: Max. Flux Density
1) 起始磁导率: μi00
1
→ΔΔΔ
=H
i HB
μμ
3) 增量磁导率: μ△DCH
HB
ΔΔ
=Δ0
1μ
μ
Ls Rs
2) 幅值磁导率: μa HB
a ˆˆ1
0μμ =
4) 复数磁导率: μs sss jμμμ ′′−′=
Lp
Rpppp
j '''111
μμμ−=
磁材料的基本参数
电气参数
损耗参数 )( 2210 TCTCCBfKPCV ⋅+⋅+⋅⋅⋅= βα
机械物理参数
磁滞伸缩系数
弹性模量,热伸缩系数,导热系数等
音频噪声的主要来源
Complex permeability with fs
Initial permeability with T Incremental permeability with HDC
Ferrite-3F3Frequency
DC bias
Temperature
磁性材料的电气特性参数
磁性材料的损耗特性参数
损耗的频率和磁密特性 损耗的温度特性(Ferrite)
铁芯的损耗 (磁滞损耗)
H
B ∫ ⋅=b
ain dtuiP )( ∫ ⋅
⋅=
b
ae
e dtdtdBNA
NlH )()( ∫ ⋅⋅=
b
aee dBHlA
ui
a
b
c
d
e
TT/2a
b
c
d
e
i(t)u(t)0
∫ ⋅=c
bout dtuiP )( ∫ ⋅⋅=
c
bee dBHlA
磁滞损耗大小取决于铁磁材料本身的品质 磁滞损耗大小与激磁工作频率成正比 磁滞损耗大小与磁通密度大小的平方成正比
铁芯的损耗 (涡流损耗)
Jeddy
Bsource
σπρ
π
ρπ
ρπ
ρπ
πρ
π
ρ
π
ππφ
222222
_
00
32233223
3223
4224
0
0
4224
0
20
20
22
22
2
244
2
leAeBfleAeBf
dzdrrBfdrdzrBfP
drdzrBf
drdzr
rBf
Sl
rBfdRUdP
rBfdtdU
facerle
eddy
==
==
=
===
∗∗==
∫ ∫∫∫
B, f
Ae
le
σπ ⋅⋅⋅= 2222
AeleBfP ddye
涡流损耗大小取决于铁磁材料本身的电导率 涡流损耗大小与激磁工作频率的平方成正比 涡流损耗大小与磁通密度大小的平方成正比
Core loss is related to: Material grade Frequency Temperature Flux density DC bias Excitation waveform
磁芯损耗模型-Steinmetz Model
)( 2210 TCTCCBfCP mCV ⋅+⋅+⋅⋅⋅=βα
磁芯损耗的温度特性
温度对铁氧体的损耗影响很大 不同材料有不同的温度特性曲线 注意设计工作温度的范围
磁芯带气隙特性
i
u
Β i
u
Β
la
lc lc
μc μc
B
IN
B
INBr
Hc
Bm’Bm
Br’Hc’
c
er
c
c
a
c
r
c
ar B
ll
HB
llB μ
μ
μμ
μ
⋅=+
=+
=
00
'
1
111
1
ca
a
ce ll⋅
+=μμμ
11
rB
cμ1 磁导率
剩磁密度
磁化曲线
)( BfIANP pepthr ⋅⋅⋅⋅= f .B: Material performance factor
Pcv=100 kw/m3
Pcv=300 kw/m3
Pcv=500 kw/m3
N49
N97
0 1000
5000
50000
f*B
(HzT
)
f(kHz)
EPCOS
磁性材料的性能因子与材料选择
磁性材料的储能特性与材料选择
∫−= Tw dtdtdB
BBB 2
minmax
)(1加权平均磁密变化率
sin
2
minmaxsin 2)( fBBBw ⋅⋅−=
π ∑ −−
−=
+
+
k kk
kkwarb tt
BBBB
B1
21
minmax
)()(
1
wB
∑ −⋅−−
=+
+
k kk
kk
ttBBBBf
1
2
minmax
12sin
1)(2π etttacmsc VTCTCCBfCfP ⋅⋅+⋅+⋅⋅⋅⋅=
− )( 22101
sinβα
t
v(t)
V
B
PWM波形激励下的磁芯损耗
D
Pc_pulsePc_sin
k=
Power loss factor, k, with same Bm and fs
α=1.7
α=1.4
k=1 @ D=0.283D
B-H Loop @ fs=100kHz, Bac=200mT, To=100℃
32 1.5 29 59.5 900.22
0.12
0.023
0.075
0.17
0.27
0.370.37
0.22−
Bk
9032− Hk
32 1.5 29 59.5 900.22
0.12
0.023
0.075
0.17
0.27
0.370.37
0.22−
Bk
9032− Hk
32 1.5 29 59.5 900.22
0.12
0.023
0.075
0.17
0.27
0.370.37
0.22−
Bk
9032− Hk
32 1.5 29 59.5 900.22
0.12
0.023
0.075
0.17
0.27
0.370.37
0.22−
Bk
9032− Hk
32 1.5 29 59.5 900.22
0.12
0.023
0.075
0.17
0.27
0.370.37
0.22−
Bk
9032− Hk
32 1.5 29 59.5 900.22
0.12
0.023
0.075
0.17
0.27
0.370.37
0.22−
Bk
9032− Hk
Hdc=0, Pc=504 (kw/m3) Hdc=6.93A/m, Pc=506( kw/m3) Hdc=13.85A/m, Pc=526 (kw/m3)
Hdc=20.77A/m, Pc=584 ( kw/m3 ) Hdc=27.69A/m, Pc=605 (kw/m3) Hdc=34.62A/m,Pc=647 ( kw/m3)
Core loss model )()1( 322
111322
tttK
sK
acacKB
dcdcc KKKfBKeBKP acacdc
ac
++⋅⋅⋅⋅⋅+=−
ττ
直流偏磁对磁芯损耗的影响
铁芯损耗随时间的变化曲线 %Q 随时间变化曲线
电感失效
铁粉芯的老化问题
Macro eddy currents among particles
Core lossesEddy-current losses
Hysteresis losses
Micro eddy current losses
Macro eddy current losses
Micro eddy currents in each particle
铁粉芯的老化机理
μi(f) μΔ(Idc)
μa(B) BrPcv Bs
高频磁元件与磁性材料考虑
SR
DMC
D2A
CMC PFC
LTX
TX
高频磁芯损耗的测量-交流I*V法
信号发生器
高频功率放大器
DUT
通讯
u(t)i(t)
示波器(数据采集)
电流采样
Chamber
计算机
cve
TsB
Bee
Tse
e
Ts
core
PVdBHlA
dtN
lHdtdBNA
Tsdtiu
TsP
⋅=⋅⋅⋅=
⋅⋅
⋅⋅⋅=⋅⋅=
∫
∫∫)(
)0(
00
)()(11
)()()( tiKl
NtitH He
⋅=⋅
=
∫∫++
⋅=⋅
=Tt
tB
Tt
te
dttuKdttuAN
tB 00
0
0
)()(1)(
θcos⋅⋅= IUP
θθ Δ+Δ+Δ=Δ )(tgII
UU
PP
Low Loss θ approaches to 90°
High-frequency Large Δθ =Δt*fLarge signal Large Δt
i(t)
u(t)
1
0
1
π0 t
i(t)
u(t)
1
0
1
π0 t
i(t)*u(t)
80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 900
40
80
120
160
200
9080 θ
)(θtg
高频磁芯损耗测量的误差分析与困难
IUPcos θ⋅
=
U保持不变,B不变, P不变,但由于电感降低,I 增大,所以cosθ降低,误差增大。
磁芯损耗测量 v.s.气隙/磁粉芯
U保持不变,B不变, P不变,但由于电感大,I 很小,所以cosθ较高,误差较小。
铁氧体高磁导率材料 有气隙铁氧体或低磁导率磁粉芯
Ferrite
Powder89.036060500.1Magnetics KM60
88.460060500.1Magnetics XFlux60
89.615060500.1Magnetics MPP60
85.04055001000.1Ferroxcube 3C96
5500
60
μr
300
400
Pcv(kW/m3)
80.61000.2Ferroxcube 3C96
88.9500.1Magnetics HF60
θ (o)f(kHz)
B(T)
Material
i
u
Β i
u
Β
软磁磁芯材料概述
粉芯磁材料(粉材)Fe (铁粉芯)MPP (高通铁镍合金)High Flux (高通铁硅铝合金)Kool Mu (铁镍钼合金)Fe-Si (铁硅合金)
铁氧体磁材料(块材)Mn-ZnNi-Zn
非晶磁材料(带材)Silicon steel (硅钢片)Permalloy (玻膜合金)Amorphous (非晶)
粉芯磁材料的结构
Flux uneven higher core loss
Powder conglutination more eddy current
Force stress Poor μ consistency (>10%)
Min. polymer needed for forming Lower μ
Polymer Lower max. temperature (140-170℃)
Distributed air-gap Lower winding losses
Distributed air-gap Larger HdcInorganic coating (oxide, SiO2, etc) Polymer binder
Alloy particle
粉芯磁材料的饱和特性比较
Ferr
ite
MPP
Koo
l m
Hig
h flu
x
Pure
iron 0.4
1.51.2
1.0
0.8
Bs
粉芯磁材料的损耗特性比较
Crispy Difficult in making and windingAnnealing needed to reduce stress by tape winding Very poor μ consistency (>20-200%)
Thin thickness (0.5-15 mils) Lower eddy current losses
High permeability
非晶带材磁材料
High saturation level (0.6-1.5T)Permalloy (玻莫合金 80%Ni+20%Fe) Amorphous: 非晶 -- 铁基(1.4-1.7T), 钴基(Bs:0.6-0.8T)Fe-based nanocrystalline: 纳米晶
Tape materials:
保护层
Crystalline Amorphous Nanocrystalline
非晶带材磁材的基本制程
Material
Water cooled wheel
10℃
1300℃
Cooling speed: 1M Kelvin/SSpeed: 100Km/hThickness: 17-25μm
铁氧体磁材料
Mn-Zn Ferrite (Fe2O3 + MnO + ZnO): High-permeability, Lower resistivity, More eddy current loss
Ni-Zn Ferrite (Fe2O3 + NiO + ZnO): Low-permeability, Higher resistivity, More hysteretic loss
是由Fe2O3和其他二价的金属氧化物(如NiO,ZnO)等粉末混合烧结而成。具有高磁导率、高电阻率。适合于高频应用。
PC50PC50
PC46PC46
PC32PC32
PC9xPC9x
PC47PC47
PC44PC44
PC40PC40
PC10xPC10x
PC45PC45
PC95PC95
PC33PC33
PC8xPC8x
High Freq
Low Loss
Temp. tendency
High BsHigh Bs
410mT
440mT
75℃
45℃
25-125℃
300 kW/m3
250 kW/m3
410 kW/m3
Nano-TechQuality constancyQuality constancy
Quality constancyHigh B Field
0.5MHz,50mT
0.5-1MHz50-100mT
UnderDevelopment
UnderDevelopment
PC90PC90High Bs &Low Loss
450 450 mTmT320 kW/m320 kW/m33
UnderDevelopment
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Mn-Zn ferrites for power applications
铁氧体磁材料的发展
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