磁性材料与EMC

产品技术中心磁性元件研究报告REPORTNO.EARG00—2008008PREPAREDBY林平长REPORTDATE:2008-07-14PAGE:第1页共80页SUBJECT主题磁性材料与EMC目录第1章磁性材料简介……………………………………………………1第2章金属磁粉芯………………………………………………………62．1材料简介………………………………………………………………………62．2材料应用………………………………………………………………………62．2．1差模电感…………………………………………………………………………………62．2．2其它应用…………………………………………………………………………………13第3章非晶、纳米晶合金……………………………………………143．1材料简介………………………………………………………………………143．2材料应用………………………………………………………………………163．2．1差模电感…………………………………………………………………………………163．2．2共模电感…………………………………………………………………………………183．2．3尖峰抑制器………………………………………………………………………………25第4章铁氧体……………………………………………………………284．1材料简介………………………………………………………………………284．2材料应用………………………………………………………………………144．2．1差模电感…………………………………………………………………………………294．2．1．1传统差模电感…………………………………………………………………………314．2．1．2SMD差模电感………………………………………………………………………384．2．2共模电感…………………………………………………………………………………434．2．2．1传统共模电感…………………………………………………………………………464．2．2．2SMD共模电感………………………………………………………………………494．2．3铁氧体磁珠………………………………………………………………………………554．2．4其它EMC对策元件………………………………………………………………………70第5章吸波材料…………………………………………………………78产品技术中心磁性元件研究报告REPORTNO.EARG00—2008008PREPAREDBY林平长REPORTDATE:2008-07-14PAGE:第2页共80页SUBJECT主题磁性材料与EMC第1章磁性材料简介1831年，法拉第证实了电磁感应现象的存在。此后，麦克斯韦（Maxwell）通过方程组的揭示了电与磁之间的内在联系。麦克斯韦方程组构成了一切电磁感应应用的数理基础，而电磁感应这一自然法则，也构成了磁性材料实际应用之工作机理。磁性材料的应用广泛，从CRT电视到平板电视（LCDTV、PDPTV），从有线模拟通信系统到无线数据通信系统，从传统电机到音圈电机，从传统喇叭到高档音响，无不需要磁性材料。图1.1展示了磁性材料经典的B-H曲线。通常，可以按图1.2、图1.3对磁性材料、软磁材料进行划分。传统上，认为矫顽力小于1000A/m的材料的磁性是软的，矫顽力大于1000A/m的材料是硬的。在镍合金比如坡莫合金中得到的矫顽力可以小到0.4A/m，在某些新近发现的永磁材料中所观察到的内禀矫顽力通常在1.2×106A/m在右。在电子产业中，根据软磁材料的不用应用，可粗略的成三大主要类别（图1.4）。　　（1）电源转换涵盖所有的软磁铁芯、金属合金磁环和材料,从低频率到高频率(10兆赫)、低磁通到高磁通密度(1.5特斯拉)，涵盖广幅的温度范围。　　（2）信号处理例如,在缆线与各种数字用户回路等通讯技术的调制解调器中所用到的滤波器和变压器。在各种应用条件下，软磁的稳定属性是重要的，以保持信号传输时不失真，并得到昀佳的效能。　　（3）电磁干扰抑制为了使电磁干扰降至昀低，利用不同软磁材料独特形状和抑制的频率范围。这个类别不仅包括铁氧体磁芯，还有小型的抗流圈。图1.5展示了材质、规格各异的软磁材料，图1.6展示了不同软磁材料的应用频段。图1.1磁性材料的经典B-H曲线产品技术中心磁性元件研究报告REPORTNO.EARG00—2008008PREPAREDBY林平长REPORTDATE:2008-07-14PAGE:第3页共80页SUBJECT主题磁性材料与EMC图1.2磁性材料家族图1.3软磁材料的分类产品技术中心磁性元件研究报告REPORTNO.EARG00—2008008PREPAREDBY林平长REPORTDATE:2008-07-14PAGE:第4页共80页SUBJECT主题磁性材料与EMC图1.4软磁材料的用途图1.5材质、规格各异的软磁材料产品技术中心磁性元件研究报告REPORTNO.EARG00—2008008PREPAREDBY林平长REPORTDATE:2008-07-14PAGE:第5页共80页SUBJECT主题磁性材料与EMC图1.6不同软磁材料的应用频段产品技术中心磁性元件研究报告REPORTNO.EARG00—2008008PREPAREDBY林平长REPORTDATE:2008-07-14PAGE:第6页共80页SUBJECT主题磁性材料与EMC第2章金属磁粉芯2.1材料简介在铁氧体磁材出现以前，软磁均是金属及其合金，如工业纯铁、坡莫合金、铁硅合金、铁铝合金、铁硅铝合金等金属软磁材料，它们具有高μ、高Bs的特点，但电阻率低（约为10-6～10-9Ω·cm）。在高频下，因涡流损耗随频率升高而剧增，无法使用。如果将磁性粉末与绝缘介质均匀混合，压制成磁芯，由于粉粒很小(直径0.5~5μm)，被非磁性绝缘介质隔开，其电阻率比金属及其合金要大得多，因而涡流损耗小。同时，磁粉芯内部形成分布气隙，在磁化时，这些分布气隙能够存储相当大的能量。磁芯粉磁导率较小但线性度、饱和磁密较高，工作频率范围较宽，具体性能取决于粉粒材料的磁导率、粉粒的大小和形状、粉粒的填充系数、绝缘介质的含量、成型压力和热处理工艺等。金属磁粉芯真正形成产业化，是从20世纪80年代开始。目前，磁粉芯被广泛用于开关电源和UPS等现代电力电子装置中，作为功率因数较正电感、输出滤波电感、谐振电感、EMI电感和反激变换器主变压器铁芯。金属磁粉芯主要包括铁粉芯(IronPowder)、高磁通粉芯(HighFlux)、铁硅粉芯(Fe-Si)、铁硅铝粉芯（Magnetics称为KoolMμ，东磁称为Sendust，ARNOLD称为Super-MSS）和铁镍钼粉芯（MPP）。除铁粉芯外，其它磁粉芯一般被统称为合金磁粉芯。目前，发展比较快的还有铁（Fe）基和钴（Co）基非晶合金磁粉芯。2.2材料应用2.2.1差模电感差模电感，是EMI滤波电路的关键元件(图2.1)，主要用于抑制电感中的差模噪声，它要求磁芯材料在偏磁场下仍然能够保持一定比例的磁导率。图2.2，标出了流经电感器的电流I，电压V和磁芯中的磁场强度曲线，并且画出了差模滤波器和共模滤波器在开关电源中的应用线路图。在输入端，可以是交流输入（如市电），也可以是电池供电（如48V，用于电信设备中）。当电池供电时，磁化电流是恒定的直流电。对于高功率因数的交流电系统，磁化电流接近正弦波波形。而低功率因数的交流电系统，其磁化电流则由一系列的交变脉冲叠加组成。金属磁粉芯，广泛用于差模电感。UPS中的BOOST、PFC、INV电感，普遍采用铁粉芯、铁硅铝粉芯作为磁芯。（图2.3）。图2.4——2.5，展示了TDK的SF系列磁粉芯电感，图2.6,比较了平面磁粉芯电感与传统环形电感做了比较,图2.7、2.8，展示了韩国AMOTECH和日本Hitachi的非晶磁粉芯。产品技术中心磁性元件研究报告REPORTNO.EARG00—2008008PREPAREDBY林平长REPORTDATE:2008-07-14PAGE:第7页共80页SUBJECT主题磁性材料与EMC图2.1典型EMI滤波电路图2.2差模电感上的电流、电压及磁滞回线图2.3ODMTower2KLVUPS中的金属磁粉芯电感（左边红色方圈内，昀左边两个是PFC电感，右边两个是INV电感，磁芯材质为铁粉芯中的-35；右边红色圆圈，是PushPull输出滤波电感，磁芯是MagneticsKoolMu77935）产品技术中心磁性元件研究报告REPORTNO.EARG00—2008008PREPAREDBY林平长REPORTDATE:2008-07-14PAGE:第8页共80页SUBJECT主题磁性材料与EMC图2.4（a）TDKSF金属磁粉芯特点产品技术中心磁性元件研究报告REPORTNO.EARG00—2008008PREPAREDBY林平长REPORTDATE:2008-07-14PAGE:第9页共80页SUBJECT主题磁性材料与EMC图2.4(b)TDKSF金属磁粉芯的参数及应用产品技术中心磁性元件研究报告REPORTNO.EARG00—2008008PREPAREDBY林平长REPORTDATE:2008-07-14PAGE:第10页共80页SUBJECT主题磁性材料与EMC图2.5TDKSF1-T系列差模电感图2.6平面化磁粉芯电感与传统环形电感比较(Micrometals)产品技术中心磁性元件研究报告REPORTNO.EARG00—2008008PREPAREDBY林平长REPORTDATE:2008-07-14PAGE:第11页共80页SUBJECT主题磁性材料与EMC图2.7韩国AMOTECH公司的铁基非晶磁粉芯产品技术中心磁性元件研究报告REPORTNO.EARG00—2008008PREPAREDBY林平长REPORTDATE:2008-07-14PAGE:第12页共80页SUBJECT主题磁性材料与EMC图2.8Hitachi公司的非晶磁粉芯产品技术中心磁性元件研究报告REPORTNO.EARG00—2008008PREPAREDBY林平长REPORTDATE:2008-07-14PAGE:第13页共80页SUBJECT主题磁性材料与EMC2.2.2其它应用在山特的3C3UPS中，使用T184-26铁粉芯磁环，以抑制低频传导噪声（图2.9）；XP1-3KUPS，使用T130-26铁粉芯磁环，作为电流均流之用（图2.10）。先前，上述两个磁环的制造商是Micrometals，昀近，基于costdown要求，已改为东磁。图2.93C320—40KVUPS中的T184-26磁环（图中黄色磁环）图2.10在XP1-3KUPS中的T130-26磁环产品技术中心磁性元件研究报告REPORTNO.EARG00—2008008PREPAREDBY林平长REPORTDATE:2008-07-14PAGE:第14页共80页SUBJECT主题磁性材料与EMC第3章非晶、纳米晶合金3.1材料简介非晶合金软磁材料是20世纪60年代问世的一种新型材料，它是将特种钢液以大约每秒100万度的速率进行冷凝，一次使薄带成型，相比一般冷轧金属，制造工艺减少了许多中间工艺，这种新工艺被称为是对传统工艺的一次革命(图3.1)。由于超急速冷凝，合金原子来不及排列，因而没有晶粒、晶界存在，所以被称为非晶合金。这种材料有许多独特的性能，如优异的磁性、耐腐蚀性、高电阻率等。此外它损耗低，可使变压器体积减小，温升降低，效率提高。1988年，日本日立金属公司（Hitachi）的Yashizawa等人,在非晶合金基础上,通过晶化处理开发出纳米晶软磁合金(Finemet)，此类合金的突出优点在于兼备了铁基非晶合金的高磁感和钴基非晶合金的高磁导率、低损耗，并且是成本低廉的铁基材料。因此，铁基纳米晶合金的发明是软磁材料的一个突破性进展，从而把非晶态合金研究开发又推向一个新高潮(图3.2)。纳米晶合金可以替代钴基