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在功率电感和扼流圈设计中怎样选取铁硅铝磁芯磁环,MPP磁芯磁环

在功率电感和扼流圈设计中怎样选取粉芯(分布式气隙)材料 

简介: 

本应用指南给出了粉芯材料(MPP,SendustKool MuHigh Flux以及Iron Powder)在电感,扼流圈以及滤波器的设计中的选型和优化。

具体选择何种材料取决于以下具体的应用情况: 

1) 电感中通过的直流偏置电流大小。

2) 环境温度和允许的温升。目前的应用环境温度超过100℃已经非常普遍。

3) 尺寸约束和焊接方法(表面贴装或者通孔插装) 

4) 成本考虑:铁粉芯最便宜,MPP最贵。

 

5) 磁芯电气性能随温度变化的稳定性。

6) 磁芯材料的可选择性。比如:微晶公司铁粉芯主要为#26#52材料,而MPP最常用的材料为磁导率为125的材料。

随着近年来铁磁技术的飞速发展,工程师设计优化时的材料可选择性大大提高。对于开关电源、电感、扼流圈以及滤波器设计方面,最常用的材料包括MPP(钼坡莫合金)High Flux高磁通磁芯),Sendust(铁硅铝)以及铁粉芯磁芯。针对不同的应用场合,每种材料都有各自的特点。

 粉芯磁芯的主要生产厂家如下: 

1) 美国微晶公司主要生产铁粉芯。目前只有该公司的铁粉芯具有很高的热稳定性。

2) 美国Magnetic公司以及Arnold公司,CSC公司,T/T电子公司生产MPP,Sendust(Kool Mu)以及High Flux磁芯。

3) 日本TDK,TokinToho生产Sendust磁芯。

粉芯材料磁芯是由高磁导率材料经过研磨或者喷雾造粒形成粉末,磁芯的磁导率取决于高磁导率材料微粒的尺寸和密度大小。调整微粒的尺寸和密度可以得到不同磁导率的磁芯。微粒尺寸越小,磁芯磁导率越小,直流偏置特性越好,但是成本更高。粉末微粒之间彼此绝缘,因此磁芯固有的分布气隙具有更好的储能能力,特别适合在储能电感中应用。

粉芯的分布式气隙特性确保能量储存在整个磁芯体中。这就使得磁芯的温度稳定性更高。而传统的开气隙的铁氧体磁芯由于能量储存在气隙附近,漏感较大,使得气隙损耗和电磁干扰都明显增加。有时局部气隙损耗甚至比磁芯本身的损耗都大。因此,磁芯的温度稳定性不太稳定。优化磁芯选择原则是选择能够满足所有的设计目标需求的同时,具有最小折衷的材料。如果成本是首要考虑因素,铁粉芯是最佳选择。如果温度稳定性是优先考虑因素,那么首选MPP磁芯。

MPP(钼坡莫合金粉芯磁芯) 

成分:Mo-Ni-Fe 在所有粉芯磁芯中,MPP粉芯磁芯具有最小的磁芯损耗和最好的温度稳定性。典型情况下,直到140℃,电感的公差漂移都小于1%。MPP磁芯的初始磁导率(μi)2660, 125160173200500MPP磁芯具有高电阻率,低磁滞损耗和涡流损耗,在直流偏置和交流条件下都非常好的电感稳定性等优点。对于μi=125的磁芯,交流激励(交流磁化磁感应增量超过2000高斯)下,电感变化仍低于2%(非常稳定)。MPP在直流磁化或直流偏置下也不易饱和。MPP的最大饱和磁感应强度大约为8000高斯(800mT

同其他粉芯材料相比,MPP价格最贵,但是在磁心损耗和稳定性方面性能最好。在直流偏

置条件下应用时,必须遵循一下原则:在直流偏置下,保证初始磁导率跌落小于20%的对应的参数如下:对于 μi= 60 磁芯, max. DC bias < 50 奥斯特; μi=125, max. DC bias < 30 奥斯特; μi=160, max. DC bias <20 奥斯特特性

1. 在所有粉芯材料中损耗最低。低磁滞损耗,因此信号失真小,剩余损耗小。

2. 最好的温度稳定性, Under 1%. 

3. 最大磁感应强度为 8000 高斯 (0.8 特斯拉

4. 电感公差: + - 8%. (3% from 500 Hz to 200 Khz) 

5. 广泛用于航空,军用,医疗以及高温应用场合。

应用 高 滤波器负载线圈谐振电路, 300 kHz以下的射频干扰滤波器变压器,扼流圈差模电感滤波器直流偏置输出滤波器High Flux Cores(高磁通磁芯) 成分: Ni-Fe 高磁通粉芯是由 50% 的镍和 50% 的铁组成的合金粉末。基本材料和铁镍合金带很相似。高磁通粉芯有更高的储能能力,更高的饱和磁感应强度。饱和磁感应强度大约为 15,000 高斯( 1500 mT), 与铁粉芯磁芯不相上下。高磁通磁芯比sendust的损耗更低,但是比MPP的损耗稍高。高磁通磁芯广泛用于高直流偏置情况下。不过,由于受限制于磁导率选择和尺寸选择范围不够多。它不如MPPsendust常用。

应用: 

1) 线路噪声滤波器中电感必须在大交流工作电压下不饱和。2) 开关调整电感(承受大直流偏置) 3) 由于该材料的剩余磁感强度几乎为零,因此适合用于脉冲变压器和反激变压器中,由于剩磁为零,有效磁感应增量几乎为15K高斯(丛015K),因此,是脉冲变压器和反激变压器的理想材料。Kool Mu / SENDUST Composition: Al-Si-Fe Sendust Magnetics 公司又名 Kool Mu。取名Sendust 是由于该材料首次在日本一个叫Sendai的地方使用而得名。取名叫'dust' core, 因此名叫Sendust. 通常, sendust cores 同铁粉芯相比有更低的损耗。但是比MPP的损耗高。相比铁粉芯, sendust 磁芯损耗低 40% 到 50% 。 Sendust 磁芯也表现出非常低的磁滞伸缩系数,因此,特别适合用于要求低音频噪声的场合。Sendust 磁芯的饱和磁感应强度高达 10,000 gauss ,比铁粉芯略低。然而,sendust MPP和集中气隙铁氧体磁芯的储能能力高。Sendust 磁芯的初始磁导率分为 60 和 125. Sendust 磁芯在交流激励下的磁导率或电感量变化最小(under 3% for ui=125) 在高温下具有极佳的温度稳定性,丛室温到125度电感的

变化范围小于 3%然而,当温度下降到65度时,对于125材料,电感量下降大约15%,同时,还值得注意的是随着温度的升高,Sendust的电感量下降,而其他的粉芯材料却是随着温度的升高,电感量增加。因此,对于需要温度补偿的场合可以采用Sendust 和其他材料的复合结构。Sendust 磁芯的成本低于 MPPs 或 high fluxes, 但是比铁粉芯稍贵。在直流偏置应用情况下,基本原则是初始磁导率的跌落不能低于20%。

例如: μi= 60 cores, max. DC bias < 40 oersted; μi=125, max. DC bias < 15 oersted. 特性

1. 比铁粉芯有更低的损耗。

2. 低磁滞伸缩系数,低音频噪声。

3. 良好的温度稳定性, -15 'C 到 125 'C电感量偏移低于4% 

4. 最大磁感应强度为: 10,000 gauss (1.0 tesla) 

5. 电感量公差: ±8%. 

应用

1. 开关调整器或开光电源中的功率电感。

2. 反激变换器或脉冲变压器(电感) 

3. 在线噪声滤波器。

4. 扼流圈。

5. 调光灯相位控制电路(低音频噪声) ,调速电机控制设备。

Iron Powder 成分: Fe 铁粉芯是粉芯材料成本最低的材料。与MPP, High Flux 或 Sendust磁芯,铁粉芯提供了低成本的设计方案选择。它是所有粉芯材料中损耗最大的材料,但是可以通过使用更大尺寸的磁芯来补偿。在许多应用中,空间占用和较高的温升不是特别重要,而成本更为重要,此时,铁粉芯是最佳的选择,铁粉芯分为两类:羰基铁粉芯和氢还原铁粉芯。羰基铁粉芯具有更低的损耗和良好的Q值特性和射频应用。铁粉芯的相对磁导率丛到 100. 用于开光电源应用中最流行的材料为#26 (μi=75), #8/90 (μi=35), #52 (μi= 75)以及 #18 (μi=55)材料。铁粉芯的饱和磁感应强度为10,000 到 15,000 gauss.铁粉芯的温度稳定性非常好。The #26号材料的温度稳定性为825 ppm/C丛常温到125度的温度范围内, 电感变化量大约为9%).#52 号材料电感变化量 650 PPM/C (7%). The #18 号材料电感变化量为 385 PPM/ C (4%), #8/90 号材料电感变化量为 255 PPM/C (3%). 铁粉芯材料适合应用于低频场合,由于磁芯的磁滞损耗和涡流损耗较高,工作温度必须限制在125度以下。在直流偏置应用场合,必须遵循以下规则:初始磁导率在直流偏置下下跌不超过20

For Material #26, max DC bias < 20 oersteds; For Material #52, max DC bias < 25 oersteds; For Material #18, max DC bias < 40 oersteds; For Material #8/90, max DC bias < 80 oersteds. 特性

1. 低成本

2. 低频下特性良好 (<10OKhz). 

3. 高的饱和磁感应强度: 15,000 gauss 

4. 电感公差:± 10% 

应用

1. 储能电感。

2. 低频直流输出电感。

3. 50/60 Hz差模 EMI 线性电抗器。

4. 调光灯电抗器。

5. PFC功率因素调整。

6. 谐振电感。

7. 脉冲和反激变压器。

(责任编辑:珠海阳普)
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