德国VAC纳米晶材料

德国VAC公司的超微晶材料在高频开关电源（SMPS）

功率变压器上的应用

一、 VAC公司的超微晶材料用作开关电源功率变压器的优异性及其标准规格

系列

1. VAC公司的超微晶材料VITROPERM 500F用作开关电源功率变压器有着独

特的优异性：

非常低的铁损，且损耗在-40℃~+120℃范围内不随温度而变化。

非常高的饱和磁通密度(1.2T，即使在高温下也能保持)。因此开关电源设计者可以考虑选择较低的工作频率，从而节省功率半导体和EMI滤波

器件的成本。

足够高的磁导率，且磁导率随磁通密度和温度的变化都非常小。

磁芯由环氧树脂封装，具有非常高的机械强度；由于这种磁芯材料几乎没有磁滞伸缩，因此可以设计铸造元件。VITROPERM超微晶可以抵抗非

常强的振动应力。

2. VAC功率变压器磁芯的标准规格型号

目前为止，VAC可以提供外径约10mm～500mm、高度约4mm～30mm的环形磁芯，可以通过叠加磁芯来获得更高的高度。目前标准系列的磁芯外径为16mm～130mm，由这此磁芯组合可以做出功率高达40kW的功率变压器。矩形磁芯可按要求定做。

下表是VAC功率变压器磁芯的标准规格型号（注意：VITROPERM 500F 是铁基超微晶材料，用于推挽式（全桥、半桥）变换器

可参考上表，各种规格的磁芯在20kHz频率下所传输的功率（仅为典型值，条件不一样所传输的功率值也会不一样）。

在频率f=20kHz, 环境温度T≤60℃，允许的温升△T＝50K，变压器为浇铸设计时，变压器磁芯大小和所能传输的功率值列表如下（仅供参考指导）： ―――――――――――――――――――――――――――――――――― 磁芯尺寸大小（外径×内径×高度mm） 所传输的功率(W) 50×40×20 1300

63×50×25 2800

80×63×25 4200

100×80×25 6100

100×80×25×2(个磁芯) 9000

130×100×25 11000

130×100×25×2(2个磁芯) 16000

130×100×25×2(2个磁芯) 20000

130×100×25×4(4个磁芯) 24000

-------------------------------------------------------------------- 如果变压器采用强迫冷却方式，所能输出的功率将可增大50%。

二、 用VAC的VITROPERM 500F超微晶材料磁芯设计功率变压器

1.室温下在各种频率下的磁芯损耗与磁通密度的变化曲线

2.设计计算步骤

在规定最大温升的情况下，每个磁芯的最佳工作磁通密度和电流密度就可以确定，磁芯的最大功率容量也就可以计算出来：

功率容量的计算：

原级绕线：

次级绕线：

三、 VAC用于功率变压器的超微晶材料VITROPERM 500F优异磁特性的详细介

绍

超微晶材料与传统的铁氧体相比，有着显著的优异性。电路设计者只有深入去探讨和了解这种材料的优异特性，才能充分利用好这种材料，做出最优秀的设计。

1. 用于功率变压器的各种磁性材料特性的比较：

材料 钴基非晶 铁基非晶 锰锌铁氧体 超微晶

--------------------------------------------------------------- 材料基本组成 约77%钴 约79%铁 MnZn 约73.5%铁 --------------------------------------------------------------- 磁导率 2000～3000 4000～80000 1500～2500 20000～30000 --------------------------------------------------------------- 铁损Pfe 2W/kg 18W/kg 9W/kg 1.4W/kg (f=20kHz;B^=200mT)

--------------------------------------------------------------- 铁损Pfe 40W/kg 105W/kg 110W/kg 35W/kg (f=100kHz;B^=200mT)

--------------------------------------------------------------- 饱和磁密Bs 0.8T 1.55T 0.48T 1.2T

--------------------------------------------------------------- Tmax（最高工作温度）90℃ 120℃ 100℃ 120℃ ----------------------------------------------------------------

2.VAC的VITROPERM 500F超微晶材料与西门子N67锰锌铁氧体材料磁特性

的比较

A． 损耗

VAC的VITROPERM 500F超微晶材料与西门子的N67锰锌铁氧体材料在不同频率下铁损与磁通密度的变化曲线：

从上表可看出，VITROPERM 500F在磁通密度及损耗方面远远优于铁氧体材料。在100℃铁氧体的最佳工作温度下，20kHz、520mT时超微晶材料的损耗与相同频率180mT时铁氧体材料的损耗相同。因此电路设计者在设计时可考虑选择较低的工作频率和较大的磁通密度，一方面可以达到减小变压器体积的目的，另一方面又可节省功率半导体(如IGBT)和EMI滤波的成本。

B.温度特性

损耗随温度变化的曲线关系

（实线为超微晶材料，虚线为铁氧体材料）

从上表可以看出，VAC的VITROPERM 500F超微晶材料具有优异的温度特性。在功率铁氧体材料方面，功率损耗在低于100℃时最低。在较高温度时，这些损耗不仅增高，而且温度越高，损耗又会越大。相反，VITROPERM 500F