2.2 軟磁鐵氧體磁心的特性與選用

軟磁鐵氧體材料常用在高頻變壓器、電感、脈沖變壓器以及PFC升壓電感等中，在開關電源中是一種非常重要的元件。但是，我們不能十分有把握地掌握磁性材料的特性，以及這種特性與溫度、頻率、氣隙等的依賴性和不易測量性。在選擇鐵氧體時，它不像電子元器件那樣可以測量，它的具體的參數、特性曲線在顯示測量儀器上也不是一目了然。為什么高頻變壓器、電感器要自己設計呢？因為所涉及的參數太多，例如電壓、電流、溫度、頻率、電感量、電壓比、電流比、漏感、磁性材料參數、銅損、鐵損、交流磁場強度、交流磁感應強度、真空磁導率、矯頑力等十幾種參量。鐵氧體受到的影響因素多，元器件選用以及電路板上元器件的布置和走線的方式等對此都有影響。對于鐵氧體磁心的顏色、繞組的屏蔽是否合適，散熱處理是否得當……設計工程師不可能完全無誤地為用戶生產出好產品。

總之，即使生產商有現貨供應，而且也介紹了磁性元件的特性、參數及使用條件等，用戶也無法挑選磁性材料。因此，最好的辦法是委托設計加工。在設計高頻變壓器時，必須正確選擇磁心材料的特性、形狀以及外形尺寸，若選用不當，就會增加損耗、降低效率，嚴重時輸出功率達不到設計要求，甚至不能工作。

2.2.1 磁性元件在開關電源中的作用

磁性元件在電源變換中是必需的元件，廣泛用于高頻振蕩變壓器、低通濾波電感、電源輸出平波電抗器，還有有源功率因數校正升壓電感，所有這些作用功能，對變換器的性能質量起著至關重要的作用。當磁心用于變壓器時，它起的作用如下：

1）電磁耦合。傳遞電能，有了磁心，電能傳輸暢通。

2）實施電氣隔離。變壓器的一次電壓和二次電壓是不同電位的電壓，有了它，可保證變壓器在變換電路中的安全，起著高低電壓隔離的目的。

3）按使用需要，改變變壓器電壓比，達到電壓升降。

4）由于磁性元件的作用，變壓器二次大電流整流經過移相，使二次電流輸出紋波電壓減少。抑制尖峰電壓，保護開關管免受沖擊電流而損壞，所以常說，磁性變壓器有限流作用。

5）開關電源的電子開關，通過充電放電向變壓器二次側不停地傳輸電能，在這過程中是由于它具有儲能，才能釋能，儲能的大小與磁性元件的飽和磁感應強度以及初始磁導率成正比。另外，由于變壓器的一次側和二次側存在電感，很方便地與電路電容構成諧振，諧振波一方面傳遞電能，改變電流或電壓的方向，向負載輸出，另一方面也改變電壓的等級。所有這些，都是磁性元件在變換過程中所起的作用。但是磁性元件的工況性能是不易完全掌握的，它不像其他電子元器件那樣容易測量選擇，繁瑣的技術數據，分散性、易變性很大的參數，將使挑選者無從下手。因此，只能通過生產實驗、科學設計，才能發揮磁性元件最大作用功能。

2.2.2 磁性材料的基本特性

開關電源變壓器磁心都是運行在低磁場、高頻率環境條件下的軟磁鐵氧體材料，這種磁性材料具有矯頑力低、電阻率高和磁導率高的基本特點。這就意味著，流過變壓器繞組的勵磁電流會產生較高的磁感應強度，因此，在一定輸出功率條件下，可以極大地降低磁心的體積。矯頑力低，磁心的磁滯回環面積就小，這樣鐵損低。同樣，電阻率高、渦流小，鐵損也低。但磁性材料的電阻率高，適合用在航空航天領域里。

1）磁場強度H與磁感應強度B。磁場強度是表示磁場強弱與方向的一個物理量，其單位為安/米（A/m）。磁感應強度是表示磁場作用于磁性物質上的作用力的大小，其單位為特斯拉（T）。溫度越高，磁感應強度越低。

2）飽和磁感應強度Bs。磁心在磁場的作用下，當磁場強度H增加時，磁心出現飽和時的B值，稱為飽和磁感應強度Bs。

3）初始磁導率μi。磁性材料在磁化曲線上的始端磁化率的最大值，即

式中，μo表示磁性材料的真空磁導率（μo=4π×10-7H/m）。

4）有效磁導率μe。磁心在閉合磁路中（不計漏磁），磁心的導磁能力稱為有效磁導率。即

式中，L為繞組的電感量（mH）；為磁路長度與磁心面積之比，是常數。

5）居里溫度Tc。磁心的磁狀態由鐵磁性轉為順磁性（見圖2-7）時，在μ-T曲線上，磁導率最大值的80%和最大值的20%的連線與磁導率等于1的直線的交點相對應的溫度稱為居里溫度。溫度越高，初始磁導率也越高，當超過130℃時，初始磁導率為零，如圖2-8a所示。

磁心在高頻作用下，會產生剩磁，剩磁是產生熱磁心的最大原因，熱磁是磁心鐵損發源地。該磁心這時的工作磁感應強度應為

推導出

式中，f為磁心的工作頻率（kHz）；Ae為磁心有效截面積（mm2）；Vs為繞組兩端電壓（V）；N為繞組匝數。

6）矯頑力Hc。磁心從飽和狀態除去磁場后繼續反向磁化，直到磁感應強度減小到零，此時的磁場強度稱為矯頑力（保磁力）。

7）磁通Φ。磁感應強度與垂直于磁場方向的面積的乘積叫磁通，Φ=BS。

8）磁感應強度Bs。單位面積上所通過磁通的大小叫作磁感應強度（也稱為磁通密度），單位為特斯拉（T）。

飽和磁性材料具有良好的開關特性，如用在高頻振蕩電路里，可以產生優良的振蕩波形，這種磁性材料具有近似矩形的磁滯回線（見圖2-8b）。這種磁滯回線有明顯的飽和點和飽和段，而且它的上下有良好的對稱性。近似矩形的磁滯回線在執行脈沖電信號傳遞時，可使繞組中的電流脈沖波形的前沿陡峭，后沿拖尾短小，能完整地傳遞各種波形電信號。如果磁心的S矩形曲線在B方向向下被壓扁或是向上被拉伸，這種形變曲線的磁心用在開關電源高頻變壓器上或是用在電子鎮流器的脈沖變壓器上，將會嚴重影響變壓器的振蕩波形，產生信號失真、頻率失調、導致開關晶體振蕩管溫度上升，變壓器的鐵損和銅損加劇，這對于開關電源的質量極為不利。

矩形磁滯回線是飽和磁性材料一種特殊的曲線。磁滯回線的形狀非常重要，在選用磁心時，將被看作一項重要選用磁心的依據，只有用高頻鐵氧體磁心特性曲線測試儀方可測出。

2.2.3 磁心的結構及選用原則

磁心的結構種類繁多、形狀各異。鐵氧體磁心是開關電源用得比較多的一種材料。圖2-9是鐵氧體磁心的結構形狀。下面對一些主要磁心結構加以說明。

1）POT是罐形磁心，銅線繞在變壓器磁心內，外面由磁鐵包圍。它的最大優點是導磁感應好，傳遞電能佳，可大量降低電磁干擾（EMI）；缺點是散熱效果極差，溫升很高。這種磁心只能用在小功率開關電源上。

2）PM磁心，也叫R形磁心，它結構緊湊、體積小，但電能耦合不是很好，散熱性能也不很好，適合用在小功率電源充電器上。

3）RM磁心和X磁心，磁耦合能力和散熱性能都比較好，適合用在150W以上的大中功率開關電源上。其缺點是所占空間大，放置比較困難。

4）EC磁心是開關電源常用的一種磁心，磁心的截面積大，散熱效果好，常用在150～200W的開關電源上。其缺點是窗口面積比較小，對變壓器的匝數要有限制。

5）EE磁心是一種最常用普通的磁心，對于中小功率變壓器來說很適合，磁心截面積的大小在很大程度上決定開關電源的功率。磁心的截面積與輸出功率成正比例，磁心截面積越大，輸出功率也越大。表2-3是輸入功率與EE磁心尺寸對照表，僅供選用時參考。

變壓器磁心大小取決于輸入功率、變壓器溫升以及工作頻率、磁心材料等參量，現將計

算公式推出如下：

式中，K為振蕩波系數，一般為0.12～0.16；f為工作頻率（kHz）；nP為變壓器一次繞組匝數（匝）；Io為輸出電流（A）；Ae為磁心窗口截面積（mm2）；B為磁心的磁感應強度（T），B=2000～3500T。

式中的B是由軟磁鐵生產廠商給出的，其余是由設計工程師根據實際和工作經驗給出的。高的電感量可以得到大的輸出功率、較小的變壓器體積。低鐵損、銅損，大大降低溫升。對于反激式開關電源的變壓器，要考慮變壓器繞組存儲電能能力。其存儲電能能力的大小決定于鐵氧體磁心材料的磁感應強度Bm或變壓器一次電感量LP，另一個因數是磁場強度或工作電流。存儲電能的計算公式是WD=LPI2/2。

選用磁性材料時，要選用飽和的磁性材料。這種材料具有良好的開關特性，可以產生優良的振蕩波形，還要求磁心具有近似矩形的磁滯回線，如圖2-8b所示。磁性材料的磁滯回線有明顯的飽和點和飽和段，而且有良好的對稱性。近似矩形的磁滯回線可使繞組中的電流波形前后沿陡峭，能很好地傳遞各種波形電信號。如果磁心的S矩形曲線在B方向上向下被壓扁，將會嚴重影響變壓器的振蕩波形，導致開關晶體管溫升加劇。

磁性材料的使用一定要在一定的居里溫度以內，這是首先要考慮的問題，其次是注意磁心的結構、脆度、硬度、穩定性、磁導率及磁感應強度。在設計時，對工作頻率和噪聲干擾應十分注意。在強磁場強度的作用下，磁性材料會收縮或膨脹，很可能會出現磁共振，所以磁心變壓器裝在印制電路板上時，要注意切實黏接牢固，防止出現機械噪聲和電磁噪聲。歸納起來如下：

1）選用較低的矯頑力（保磁性）。這是因為矯頑力低，磁滯回環面積小，鐵損低。

2）選用較高的電阻率。在一定的工作頻率下，磁性材料的渦流損耗與電阻率成反比。為降低磁性元件的損耗，選用磁性材料電阻率在100～800Ω·cm之間。

3）居里溫度應足夠高。如果磁心材料的居里溫度偏低，必然使磁心的溫升接近居里溫度，這樣促使初始磁導率μi太低，飽和磁感應強度Bs和電感值急劇下降，使電源的功率開關管溫度急劇上升，破壞振蕩頻率，以致電源無法正常工作。為確保開關電源內部溫度遠低于磁心的居里溫度，宜選用居里溫度Te＞180℃的磁心元件。

4）適中的初始磁導率μi。初始磁導率的選取，必須滿足居里溫度的要求。一般來說，磁導率在4000H/m以上的材料和磁導率低于3000H/m的材料的居里溫度一般可達180℃以上。因此，選用μi為2000～3000H/m的磁心用作電源變壓器和濾波用的電感元件是比較合適的。當然，磁性材料的初始磁導率適當高一些，可以減少變壓器繞組的匝數，從而有利于減小分布電容和漏感，達到改善驅動波形。

5）合適的溫度系數。有些磁性材料溫度在80℃時，呈現負值，即溫度升高，鐵損反而降低，這種材料對大功率開關電源是非常好的。一般開關推動管的電流增益hFE隨溫度升高而增大，若選用具有負溫度系數的磁性材料，則抵消了晶體管的hFE的正溫度系數，使開關管工作點保持穩定。

6）恰當的磁感應強度。磁感應強度選高了，將使變壓器很快進入飽和，導致變壓器溫度快速升高而發生燒毀；磁感應強度選低了，使變壓器缺少足夠的驅動功能，輸出功率達不到設計要求。合適的磁感應強度一般在Bs=0.046～0.055T。