非晶材料在开关电源中的应用
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结论： ①非晶材料在100KHz以下频率,大功率应用领域(2KW以上容量)具有较强的性能价 格优势,可以明显地提高效率，减小开关电源的体积、容量。1KW以下功率容量其 竞争弱势是价格偏高，另外可供选择的磁芯形状较少。 ②非晶材料在饱和电感及磁放大器应用领域优势明显，它充分地利用了高μ，高 温度稳定性，低损耗的特点。选择方形度好，Bs大小适中的材料。由于减少有源 器件，增加了开关电源的可靠性。 ③非晶材料在EMI/EMC应用领域可大大减小滤波元件体积，但500KHZ以上频率特 性稍差。
另外，采用非晶材料制作功率变压器的开关电源电路中，电路的动态响应速 度要求也非常高，对驱动电路的对称性也要求非常高。采用电流型控制方式比较 好。
在小功率应用领域，非晶材料主要受到来自铁氧体价格强有力的竞争，另外 其可供选择的变压器磁芯形状也较少，限制了非晶材料在小功率领域应用。
（二）、非晶在磁饱和较大器和尖峰抑制器中的应用 由于非晶材料具有很高的μ值，利用很小的激磁电流便可以使磁芯饱和，且 磁芯损耗低。磁饱和放大器正是利用这一特点，在小型开关电源中得到广泛应 用，它可以取代传统的基于半导体控制方式的电压调整方式，从而实现开关电源 的高效率、小型化、低噪声、高可靠性等。 其工作原理如下：磁放大器的作用于就象一个电子开关，当未饱和时，电感量很 大，阻止电流的通过，开关处于"OFF"状态（如状态Ⅰ）。当其饱和后，电感量 下降为零，电流正常流通，开关处于"ON"状态（如状态Ⅱ），通过调整其复位磁 通来控制饱和磁放大器的ON/OFF时间，使其"OFF"状态磁通量与复位磁通量相 等，达到调整输出电压的目的。磁放大器工作波形图如下图所示
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30%
1.35
90000 18000 0.53
0.6Bs 0.5 Bs
1.3
0.32
3
5
600
210
7.4
7.7
铁基非 晶
MnZn铁 氧体
铍莫合金
4500
2300
20000
4500
2300
***
1.56 0.65 Bs
5.0
0.51 0.2Bs
8.0
0.8
0.5~0.9 Bs 2.5
35
17
14
415
左图未加尖峰 抑制器的波形
右图加非晶尖峰 抑制器的波形
非晶饱和电感 和尖峰抑制器工作过程中，磁芯工作于饱和/低B的开关过程中，它要求有极低的 高频损耗和高矩形度的长方形回线的B---H曲线，减小不可控磁区的大小，其发 热量完全取决于非晶材料本身的损耗，一般其工作温度在60℃----130℃之间。 目前可供选择的磁饱和较大器和尖峰抑制器主要有VAC 6025Z系列，东芝MS 系列和MT系列以及国产AT&M公司OCH系列 （三）、非晶在EMI/EMC中的应用 非晶材料500KHZ以下具有较高的频率响应速度，而Mn-Zn合金在1MHZ-10MHZ 频段性能超群，利用非晶材料的高μ特性可以降低共模电感体积。若采用两者复 合结构，则可以兼顾两种材料的特性优势。 应用实例： 作者利用非晶材料研制成功48V/50A、48V/80A系列智能通讯开关电源模块， 其EMI滤波器采用Mn-Zn合金与非晶复合结构，兼顾了两者的频响优势，同时缩小 了EMI器件的体积，主变压器采用非晶材料，采用PWM软开关控制方式，相移实现 超前臂零电压开关，用非晶饱合电感实现滞后臂零电流开关，输出二极管串联非 晶尖峰抑制器，整机效率可达到92%（有源校正）~94%（无源校正）。整机采用 风冷/自然冷兼容结构，功率密度可达0.5W/CM3，重量仅9.5Kg，且自然冷却条件 下可40%负载连续工作。
表一：几种常用磁材基本性能比较
材料名称
性能
导磁率 （10KHz）
10KHz
μ
100KHz
饱和磁感应度 Bs (T)
剩余磁感应强度 Br (T)
矫 顽 力 Hc A/ m
功 耗 （25KHz， 100Mt, 100℃）
W/Kg 居 里 温 度 Tc （℃）
密 度 g/cm3
纳米非晶
钴基非 晶
≥50000 16000±
215
400
7.18
4.9
8.7
下面分几个方面分析非晶材料在开关电源中的应用： （一）非晶在功率变压器设计中的应用 功率变压器的设计与选用的电路拓扑结构有关，双端电路和单端电路对磁材 的要求是不相同的，双端电路对Br无特殊要求，而单端电路则希望值要低。 众所周知 B=μH=μN I 由此可得： △B=μN△I 从式中可以看出，μ值过大时，若电路动态特性稍差，引起主变压器的初级 电流增量△I较大，则易引起电路工作时的磁感应强度变量△B增大，磁芯易饱 和，轻则电路敏感易保护，严重的可能烧毁功率功率开关管，从这一此考虑，希 望μ的值低些，但μ值过低，变压器初级电感量也过低，变压器励磁电流也较 大，效率降低，因此选择变压器磁芯时μ值过高或过低均不好。对功率变压器而
以3KW开关电源为例，用N67材料，开关频率f=250KHz，MOSFET为开关管，变 压器重量为：380g，而采用VAC500F材料，开关频率f=100KHz IGBT 为开关管， 变压器重量为：260g，且整机效率可以提高1%以上。更重要的是采用非晶材料制 作的变压器，只要保证绝缘材料满足使用过程中的高温要求，而基本上需担心变 压器磁特性的变化，提高了开关电源的可靠性。
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言，其磁芯必须具备以下几个特点： ① 低损耗; ② 高的的饱和磁感应强度且温度系数要小; ③宽工作温度范围 ④适当的μ值,且μ值随B值变化小; ⑤与所选用功率器件开关速度相应的频响
本文以德国VAC公司 VITOPERM 500F铁基非晶产品和西门子N67系列磁材为例加以 比较。 μ-温度曲线 B-H曲线
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开关电源中噪声主要由高 di/dt和dv/dt 产生，特别是在快恢复二极管的反 向恢复过程中，利用可饱和非晶电感可以轻松地控制二极管恢复过程中产生的电 压尖峰和电流振铃，其工作原理如下图所示
当二极管正常导通时，非晶电感处于饱和状态，电感量为零，二极管开始反 向恢复过程中时，非晶电感开始退出饱和，电感迅速增大，阻止二极管内部反向 电流的增加，使反向恢复过程变软，抑制了高di/dt 的产生，降低尖峰电压，相 应降低了二极管反向耐压等级，提高了效率。下图为非晶尖峰抑制器的效果图。
非晶材料在开关电源中的应用
关键词：非晶变压器 饱和电感 尖峰抑制器材 磁放大器 开关电源
开关电源中大量使用各种各样的磁性元件，如输入/输出共模电感、功率变 压器、饱和电感以及各种差模电感。各种磁性元器件对磁性材料的要求各种相 同。如差模电感希望μ值适中，但线性度好，不易饱和，共模电感则希望μ值要 高，频带宽，功率变压器则希望μ值要适中，温度稳定好，剩磁小、损耗低等。 在非晶材料出现以前，共模电感主要采用高多采用铁粉芯或开气隙铁氧体材料，变压器则采用铁氧体材料等。这些材料应 用技术成熟，种类也很丰富，并有各种各样的产品形状供选择，随着非晶材料的 出现和技术不断成熟，在开关电源设计中，非晶材料表现出许多其主材料无法比 拟的优点。
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关，如磁芯损耗、铜损等。开关频率增加，变压器的发热呈指数增加。为实现开 关电源的轻量化 ，大多数开关电源均采用铁氧体材料制作高频变压器磁芯，因 此只能采用功率MOSFET作为开关器件，开关频率多在200KHZ 以上，变压器的发 热较多。由于铁氧体的居里点较低，需对变形器磁芯作散热处理，变压器工艺制 作较复杂。若散热处理不当，铁氧体磁材高温下易失磁，导致电路工作异常。若 采用非晶做变压器，将工作△B由4000高斯提高到10000高斯，开关器件的工作频 率则可以降到100KHz以下。在采用PWM在大功率应用领域如焊接电源，电镀/电解 电源，非晶材料具有不可替代的优势，首先是受大功率器件电压/电流容量的限 制，只能采用IGBT作开关器件，IGBT开关频率较低，多100KHz以下。除此以外， 3KW以上容量的铁氧体磁芯体积较大，尺寸增大后其变形及成品率低，生产工艺 难度大，使用过程中磁芯内部也易形成较大的温度梯度，从而产生热应力，导致 磁芯开裂等。非晶材料在16KHZ-----100KHZ频率范围内，损耗/Bs值最低，相应 的变压器匝数及体积最小，发热量也较小。在采用软开关控制技术的前提下，可 以充分发挥IGBT的低导通压降，和大电流、高耐压的优点，大幅度地提高电源的 可靠性。
f/B-损耗曲线 损耗-温度曲线 从以上图表可以看出两者有以下区别： 1． 相同工作频率（200KHZ以下），非晶材料损耗明显低于铁氧体90%---10%工 作频率越低，工作B值越高，非晶材料优势越明显。但250KHZ以上频段，铁氧体 损耗要明显低于非晶材料 2． 非晶材料损耗随温度变化量大大低于铁氧体，降低了变压器热设计的难度。 3． 非晶材料导磁率随温度变化量大大低于铁氧体，降低了变压器设计的难度， 提高了电源运行的稳定性和可靠性。 4． 非晶材料Bs*μ值是铁氧体的10―15倍，意味着变压器体积重量可以大幅减 小。 除此而外，非晶变压器具有较大的绕线空间，变压器绝缘处理更容易。机械 强度较高。 变压器设计这程中，最困难的是热设计，变压器的产热与多方面的因素有
结论： ①非晶材料在100KHz以下频率,大功率应用领域(2KW以上容量)具有较强的性能价 格优势,可以明显地提高效率，减小开关电源的体积、容量。1KW以下功率容量其 竞争弱势是价格偏高，另外可供选择的磁芯形状较少。 ②非晶材料在饱和电感及磁放大器应用领域优势明显，它充分地利用了高μ，高 温度稳定性，低损耗的特点。选择方形度好，Bs大小适中的材料。由于减少有源 器件，增加了开关电源的可靠性。 ③非晶材料在EMI/EMC应用领域可大大减小滤波元件体积，但500KHZ以上频率特 性稍差。
另外，采用非晶材料制作功率变压器的开关电源电路中，电路的动态响应速 度要求也非常高，对驱动电路的对称性也要求非常高。采用电流型控制方式比较 好。
在小功率应用领域，非晶材料主要受到来自铁氧体价格强有力的竞争，另外 其可供选择的变压器磁芯形状也较少，限制了非晶材料在小功率领域应用。
（二）、非晶在磁饱和较大器和尖峰抑制器中的应用 由于非晶材料具有很高的μ值，利用很小的激磁电流便可以使磁芯饱和，且 磁芯损耗低。磁饱和放大器正是利用这一特点，在小型开关电源中得到广泛应 用，它可以取代传统的基于半导体控制方式的电压调整方式，从而实现开关电源 的高效率、小型化、低噪声、高可靠性等。 其工作原理如下：磁放大器的作用于就象一个电子开关，当未饱和时，电感量很 大，阻止电流的通过，开关处于"OFF"状态（如状态Ⅰ）。当其饱和后，电感量 下降为零，电流正常流通，开关处于"ON"状态（如状态Ⅱ），通过调整其复位磁 通来控制饱和磁放大器的ON/OFF时间，使其"OFF"状态磁通量与复位磁通量相 等，达到调整输出电压的目的。磁放大器工作波形图如下图所示
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30%
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90000 18000 0.53
0.6Bs 0.5 Bs
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铁基非 晶
MnZn铁 氧体
铍莫合金
4500
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1.56 0.65 Bs
5.0
0.51 0.2Bs
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左图未加尖峰 抑制器的波形
右图加非晶尖峰 抑制器的波形
非晶饱和电感 和尖峰抑制器工作过程中，磁芯工作于饱和/低B的开关过程中，它要求有极低的 高频损耗和高矩形度的长方形回线的B---H曲线，减小不可控磁区的大小，其发 热量完全取决于非晶材料本身的损耗，一般其工作温度在60℃----130℃之间。 目前可供选择的磁饱和较大器和尖峰抑制器主要有VAC 6025Z系列，东芝MS 系列和MT系列以及国产AT&M公司OCH系列 （三）、非晶在EMI/EMC中的应用 非晶材料500KHZ以下具有较高的频率响应速度，而Mn-Zn合金在1MHZ-10MHZ 频段性能超群，利用非晶材料的高μ特性可以降低共模电感体积。若采用两者复 合结构，则可以兼顾两种材料的特性优势。 应用实例： 作者利用非晶材料研制成功48V/50A、48V/80A系列智能通讯开关电源模块， 其EMI滤波器采用Mn-Zn合金与非晶复合结构，兼顾了两者的频响优势，同时缩小 了EMI器件的体积，主变压器采用非晶材料，采用PWM软开关控制方式，相移实现 超前臂零电压开关，用非晶饱合电感实现滞后臂零电流开关，输出二极管串联非 晶尖峰抑制器，整机效率可达到92%（有源校正）~94%（无源校正）。整机采用 风冷/自然冷兼容结构，功率密度可达0.5W/CM3，重量仅9.5Kg，且自然冷却条件 下可40%负载连续工作。
表一：几种常用磁材基本性能比较
材料名称
性能
导磁率 （10KHz）
10KHz
μ
100KHz
饱和磁感应度 Bs (T)
剩余磁感应强度 Br (T)
矫 顽 力 Hc A/ m
功 耗 （25KHz， 100Mt, 100℃）
W/Kg 居 里 温 度 Tc （℃）
密 度 g/cm3
纳米非晶
钴基非 晶
≥50000 16000±
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7.18
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下面分几个方面分析非晶材料在开关电源中的应用： （一）非晶在功率变压器设计中的应用 功率变压器的设计与选用的电路拓扑结构有关，双端电路和单端电路对磁材 的要求是不相同的，双端电路对Br无特殊要求，而单端电路则希望值要低。 众所周知 B=μH=μN I 由此可得： △B=μN△I 从式中可以看出，μ值过大时，若电路动态特性稍差，引起主变压器的初级 电流增量△I较大，则易引起电路工作时的磁感应强度变量△B增大，磁芯易饱 和，轻则电路敏感易保护，严重的可能烧毁功率功率开关管，从这一此考虑，希 望μ的值低些，但μ值过低，变压器初级电感量也过低，变压器励磁电流也较 大，效率降低，因此选择变压器磁芯时μ值过高或过低均不好。对功率变压器而
以3KW开关电源为例，用N67材料，开关频率f=250KHz，MOSFET为开关管，变 压器重量为：380g，而采用VAC500F材料，开关频率f=100KHz IGBT 为开关管， 变压器重量为：260g，且整机效率可以提高1%以上。更重要的是采用非晶材料制 作的变压器，只要保证绝缘材料满足使用过程中的高温要求，而基本上需担心变 压器磁特性的变化，提高了开关电源的可靠性。
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言，其磁芯必须具备以下几个特点： ① 低损耗; ② 高的的饱和磁感应强度且温度系数要小; ③宽工作温度范围 ④适当的μ值,且μ值随B值变化小; ⑤与所选用功率器件开关速度相应的频响
本文以德国VAC公司 VITOPERM 500F铁基非晶产品和西门子N67系列磁材为例加以 比较。 μ-温度曲线 B-H曲线
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开关电源中噪声主要由高 di/dt和dv/dt 产生，特别是在快恢复二极管的反 向恢复过程中，利用可饱和非晶电感可以轻松地控制二极管恢复过程中产生的电 压尖峰和电流振铃，其工作原理如下图所示
当二极管正常导通时，非晶电感处于饱和状态，电感量为零，二极管开始反 向恢复过程中时，非晶电感开始退出饱和，电感迅速增大，阻止二极管内部反向 电流的增加，使反向恢复过程变软，抑制了高di/dt 的产生，降低尖峰电压，相 应降低了二极管反向耐压等级，提高了效率。下图为非晶尖峰抑制器的效果图。
非晶材料在开关电源中的应用
关键词：非晶变压器 饱和电感 尖峰抑制器材 磁放大器 开关电源
开关电源中大量使用各种各样的磁性元件，如输入/输出共模电感、功率变 压器、饱和电感以及各种差模电感。各种磁性元器件对磁性材料的要求各种相 同。如差模电感希望μ值适中，但线性度好，不易饱和，共模电感则希望μ值要 高，频带宽，功率变压器则希望μ值要适中，温度稳定好，剩磁小、损耗低等。 在非晶材料出现以前，共模电感主要采用高多采用铁粉芯或开气隙铁氧体材料，变压器则采用铁氧体材料等。这些材料应 用技术成熟，种类也很丰富，并有各种各样的产品形状供选择，随着非晶材料的 出现和技术不断成熟，在开关电源设计中，非晶材料表现出许多其主材料无法比 拟的优点。
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关，如磁芯损耗、铜损等。开关频率增加，变压器的发热呈指数增加。为实现开 关电源的轻量化 ，大多数开关电源均采用铁氧体材料制作高频变压器磁芯，因 此只能采用功率MOSFET作为开关器件，开关频率多在200KHZ 以上，变压器的发 热较多。由于铁氧体的居里点较低，需对变形器磁芯作散热处理，变压器工艺制 作较复杂。若散热处理不当，铁氧体磁材高温下易失磁，导致电路工作异常。若 采用非晶做变压器，将工作△B由4000高斯提高到10000高斯，开关器件的工作频 率则可以降到100KHz以下。在采用PWM在大功率应用领域如焊接电源，电镀/电解 电源，非晶材料具有不可替代的优势，首先是受大功率器件电压/电流容量的限 制，只能采用IGBT作开关器件，IGBT开关频率较低，多100KHz以下。除此以外， 3KW以上容量的铁氧体磁芯体积较大，尺寸增大后其变形及成品率低，生产工艺 难度大，使用过程中磁芯内部也易形成较大的温度梯度，从而产生热应力，导致 磁芯开裂等。非晶材料在16KHZ-----100KHZ频率范围内，损耗/Bs值最低，相应 的变压器匝数及体积最小，发热量也较小。在采用软开关控制技术的前提下，可 以充分发挥IGBT的低导通压降，和大电流、高耐压的优点，大幅度地提高电源的 可靠性。
f/B-损耗曲线 损耗-温度曲线 从以上图表可以看出两者有以下区别： 1． 相同工作频率（200KHZ以下），非晶材料损耗明显低于铁氧体90%---10%工 作频率越低，工作B值越高，非晶材料优势越明显。但250KHZ以上频段，铁氧体 损耗要明显低于非晶材料 2． 非晶材料损耗随温度变化量大大低于铁氧体，降低了变压器热设计的难度。 3． 非晶材料导磁率随温度变化量大大低于铁氧体，降低了变压器设计的难度， 提高了电源运行的稳定性和可靠性。 4． 非晶材料Bs*μ值是铁氧体的10―15倍，意味着变压器体积重量可以大幅减 小。 除此而外，非晶变压器具有较大的绕线空间，变压器绝缘处理更容易。机械 强度较高。 变压器设计这程中，最困难的是热设计，变压器的产热与多方面的因素有