高效能磁性新材料-优化电感设计

Part Number Number of Cores (Stack)
Material Permeability AL (nH/T2) +/- 8% Specified Current Inductance MIN(mH) No Load Inductance (mH) +/- 8% Core Loss (W) Copper Loss (W) Total Loss (W) Approximate Fill Factor Wire Size (22AWG) DCR (mΩ, 20° C) Temp Rise (C°) Operating Temperature (C°) Number of Turns Wire Length (mm) Wire Cost Ratio Single Core Cost Ratio Total Cost Ratio Finished OD(mm) Finished HT(mm)
Kool Mµ ® MAX
• Kool Mµ® Max是升级版 Kool Mµ® • 直流偏置比Kool Mµ®好50%，损耗更低，成本远低于高磁通和
MPP磁芯。 • 环形磁芯磁导率从19µ-60µ可选择。 • 块状, E, U型磁芯正在开发中。
• 26µ已经可以生产
Permeabilities 磁导率
a
b
c
26µ 0.01 3.65E-11 3.192
60µ 0.01 9.20E-10 3.044
Core Loss
P = a (Bb) (fc)
freq.
a
b
c
26µ
227.54 2.209 1.27
60µ
211.51 2.309 1.28
Edge TM锋磁通性能对比
• 铁硅磁芯为中低频段的电感提供了一个经济且高饱 和（1.6 Tesla）的解决方案。在新能源逆变器，PFC Boost和UPS等大电流设计中高饱和材料优势显著。
Kool Mµ ® Hf
DC Bias
% Initial Permeability = 1 (a+bHc)
a
b
c
26µ 0.01 3.56E-08 2.213
60µ 0.01 4.06E-07 2.131
Core Loss
P = a (Bb) (fc)
freq.
a
b
c
26µ
20.64 1.806 1.55
Permeabilities 磁导率
26µ, 60µ
Alloy Composition 成分
Fe Si Al 铁硅铝
Coating Color涂层颜色
Black 黑色
Saturation Flux Density饱和磁通 1.0T
Curie Temperature 居里温度
500°C
Operating Temperature 工作温度 -55 to 200°C
Core Volume Copper Loss Wire Cost
0077894A7HT19 is +58% 高度 AL 从75 提升至 120 nH/T2
2 x 0078617A7 = 51.6 mm HT 0078617A7X2 = 50.0 mm HT
高度差 HT = 1.6 mm
节省铜线(每 100 turns) = 32 mm
峰值电流下的感值 尽量减小尺寸 成本 整体损耗
设计 #1 78337
5 XFLUX
26
340 0.2 0.286 16.9 99.5 116.4 54.80% 2.38mm 20 2.36 39.1 29 8151.856 1 1.5 1 181 181
设计 #2 77337
8 Kool Mµ
26
544 0.2 0.49 62.6 145.4 208 56.70% 2.38mm 20 3.45 48.5 30 16657 1.5 1 1.2 261 181
总的来说，提升了电源整体的 功率密度和效率
半导体新材料 SiC – 碳化硅 GaN—氮化镓
• A. 更小的磁芯和更加紧凑的设计
随着频率的增加，芯片设计要求更小的磁芯， 高频下更低的磁芯损耗，来优化整个设备。
• B. 更大的磁芯，和更高的电流。
随着越来越多的清洁新能源取代传统能源， 就要求磁芯可以承受更高的电流，于是大的 环形，堆叠的块状磁芯的设计就更流行了。
• 关于美磁 • 半导体发展趋势 • 功率型电感设计趋势 • 磁性材料发展趋势 • 高频小功率电感设计实例 • 低频大功率电感设计实例 • EQ对比环形电感设计实例 • 美磁电感设计软件
从1949年开始，美磁作为磁性材料 全球领导者从事开发和生产磁性材料。
美磁现总部位于美国宾州匹兹堡市， 工厂位于中国厦门市。中国工厂主要 生产粉末磁芯，铁氧体磁芯以及绕带 磁芯。
磁粉的准备
合金颗粒
非金属绝缘 材料
关键步骤: 压制: 电气性能的形成: 电感 直流偏置 磁芯损耗
磁粉的退火
压制成型
“分布式气隙”
消除应力
Uncompacted Powder µ~ 1
Compacted bare core µ = 14-550
Magnetics的磁粉芯不含有有机 粘结剂，因此没有表现出任何 类似于铁粉芯的热老化影响。
60µ
36.97 1.601 1.27
Kool Mµ ®Hf
Edge TM锋磁通
o 升级版高磁通材料，高效率高密度（最小尺寸）设计的最优材料。 o 对比高磁通损耗降低40%，直流偏置优化30%。 o 环形磁芯可做26µ和60µ。 (125µ 研发中)
Edge TM
DC Bias
% Initial Permeability = 1 (a+bHc)
MPP， High Flux and Edge。 • 80%镍铁MPP材料为AC滤波电感提供了最优化的磁芯损耗表现，并且
不存在边缘损耗现象。
60 µ Powder core material typical Core Loss
6000 5000 4000 3000 2000 1000
0 MPP Kool Mu High Flux Xflux Iron Powder
• 磁导率由之前的60µ扩展至19µ, 26µ, 40µ, 60µ, 75µ, 90µ，为不同的电流级提供了更多的选择。低磁导 率可以更好地承受更高电流的设计。
• 形状和尺寸扩展：环形扩大到134mm外径，E型扩 大到114mm，块状95mm，EQ型磁芯。支持大电流 块状组合环形叠加设计。
• 直流偏置和损耗曲线更新， 损耗更低曲线拟合更准 确。
• 这个时候需要考虑叠加更多的环形磁芯作为解决 方案。
• 叠加磁芯优势:
❖ 支持更高的电流。 ❖ AL 值加倍，圈数减少，DCR减少。 ❖ 更大的表面积，更低的温升。
• 铁硅铝和铁硅都有大尺寸磁芯来承受大电流的设计。 • 直流偏置对比:
铁硅对比铁硅铝直流偏置好两倍以上。 铁硅设计可以缩小成品尺寸。
19µ, 26µ, 40µ, 60µ
Alloy Composition 成分
Fe Si Al 铁硅铝
Coating Color涂层颜色
Black 黑色
Saturation Flux Density饱和磁通 1.0T
Curie Temperature 居里温度
500°C
Operating Temperature 工作温度 -55 to 200°C
Design Criteria for 200A large inductor
L @ 220 Amp
>200 uH
I dc
205 Amp
I ripple
30 Amp
I peak
220 Amp
Frequency
15 kHz
Temperature Rise
<70 ˚C
• 在大电流的情况下，单个环形磁芯已经难以承受 高 LI2 水平.
309.35 335.99 314.68
17.1
25.7
23.8
42.1
50.7
48.8
133
143
135
5819.3 6320.4 5919.5
1
1.09
1.02
1.25 1.75
1
1.16 1.26
1
32.3
32.3
32.3
16.6
16.6
16.6
Core Volume Core Loss Wire Cost Copper Loss Total Loss Core Cost Total Cost
Kool Mµ ® MAX
DC Bias
Core Loss
P = a (Bb) (fc)
freq.
a
b
c
>10kHz 86.005 1.998 1.402
<10kHz 94.674 1.998 1.402
Kool Mµ ® Hƒ 高频铁硅铝
o 300 kHz – 500 kHz频段的最佳粉芯材料. 可应用频段可达到2 MHz+ o 磁芯损耗比Kool Mµ® 低35%。在SiC和GaN的应用中可优化电感效率。 o 环形磁芯可做26µ和60µ。
EQ磁芯尺寸表
LP磁芯尺寸表
组装定制磁芯
• 块状磁芯和柱状磁芯组合
– 客户定制形状尺寸组装 – 可承受高电流设计 – 立绕线设计优势 – 铁硅和铁硅铝材料均可选择
• 亦可定制混合材料满足客制化电性需求
环形定制高度
• 一体压制和涂层粘叠
• 消除粘胶过程 • 节省粘胶和人工成本，节约铜线 • 支持更高电流的设计
磁芯新形状
新型磁芯
• EQ型磁芯 ——三种材料：铁硅，铁硅铝，高磁通。 ——三种磁导率： 26µ，40µ， 60µ。 ——四个尺寸：EQ2619，EQ3222，EQ3626，EQ4128 EQ5032 2019年Q4推出 ——不同脚长可调节。 • LP型磁芯 ——LP4225 铁硅，铁硅铝，高磁通。 ——LP2314 铁硅60µ。 ——LP2518铁硅60µ。 ——其他尺寸拓展中。 • EER磁芯 2019 Q4推出 ——EER4013 铁硅&铁硅铝 ——其他尺寸可由客户定制。
Design Criteria for small inductor
L @ 1.5 Amp
>1.2 mH
I dc
1.5 Amp
I ripple p-p
0.6 Amp
I peak
1.8 Amp
Frequency
100 kHz
Total Losses
< 1.5 W
• 效率是微型逆变器设计中的关键。 • 提高微型逆变器的效率可通过采用 美磁高品质的磁芯材料来实现：
中国生产优势：
更低的价格
更短的交期 （2周）
粉末磁芯
合金粉末通过绝缘和压制 成型。
铁氧体磁芯
wk.baidu.com
绕带磁芯
陶瓷结构的锰锌氧化铁材 铁，镍，钴等合金金属 料，通过压制和烧结成型。 带材通过卷带成型。
• 更高的电压 • 更高的工作温度&更低的电阻 • 冷却系统体积更小更简单 • 更高的开关频率
• 更小的电感和变压器 • 更少的大电容
59894 1
55894 1
58894 1
Edge MPP High Flux
60
60
60
75
75
75
1.21 1.2071 1.2023
1.33 1.5337 1.3669
0.03
0.44
0.38
0.72
0.78
0.73
0.74
1.22
1.11
32.9% 35.4% 33.4% 0.7mm 0.7mm 0.7mm
• 磁芯损耗对比 在大纹波电流或者频率高于20kHz的应用中，铁硅铝提供了
更低磁芯损耗的设计。
Cor磁e S芯ele信ct息ion Part零N件um号ber Number o磁f C芯or数es (Stack)
Ma材ter料ial Perm磁e导ab率ility ALL ((nnHH//TT2)2)+/+-/8- %8% 22In0dAu电cta流nc下e M电IN感@最220小A(值mH(m) H) No L空oa载d I电nd感uct值an(cme (Hm)H+)/-+/8-%8% Cor磁e L损oss(W(W) ) Wir铜e L损os(sW(W) ) To总tal损Lo耗ss (W) Approxi绕ma组te因Fil数l Factor 铜W线ir尺e S寸ize（(11A1WAWG)G） DCR铜(m线Ω股, 20数° C) 绕组T直em流p电Ris阻e ((Cm°)Ohms) Operating温Te升mp(eCr°a)ture (C°) Numbe匝r o数f Turns W绕ire线Le长ng度th (mmmm)) Wir导e C线os成t R本atio Sin单gle个C磁ore芯Co价st格Ra比tio To整tal体Co价st 格Rat比io 绕F线inis后he总d H高T(度mm(m) m) 绕Fin线ish后ed外O径D(m(mmm) )