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Application of amorphous materials in switching power supply

Source: Kyotoku      Data download:KTCD-AN014

什么是非晶材料? 

 我们从材料说起,在日常生活中人们接触的材料一般有两种:一种是晶态材料,另一种是 非晶态材料。 

 

所谓晶态材料,是指材料内部的原子排列遵循一定的规律。反之,内部原子排列处于无规则 状态,则为非晶态材料,一般的金属,其内部原子排列有序,都属于晶态材料。 

 

科学家发现,金属在熔化后,内部原子处于活跃状态。一但金属开始冷却,原子就会随着温

度的下降,而慢慢地按照一定的晶态规律有序地排列起来,形成晶体。如果冷却过程很快, 原子还来不及重新排列就被凝固住了,由此就产生了非晶态合金,制备非晶态合金采用的正 是一种快速凝固的工艺。将处于熔融态的高温钢水喷射到高速旋转的冷却辊上。钢水以每秒 百万度的速度迅速冷却,仅用千分之一秒的时间就将 1300℃的钢水降到 200℃以下,形成 非晶带材。 

 

非晶为什么可以用在开关电源上? 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,在非晶材料出现以前: 差模电感希望 μ 值适中,但线性度好,不易饱和,多采用铁粉芯或开气隙铁氧体材料. 共模电感则希望 μ 值要高,频带宽,共模电感主要采用高 μ 值(6K~10K)Mn-Zn 合金。 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,常用铁氧体材等 

 

非晶态合金是七十年代问世的新金属材料,它利用超急冷技术即 10 的 6 次方/秒的冷却速度 使液态金属快速凝固直接成材而制成非晶态软磁合金。它具有高导磁率、高电阻率、高磁感、 耐蚀等优异特性,是传统金属无可比拟的。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。本项目属高新技术。 

 

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。 

 

 

 

对功率变压器而言,其磁芯必须具备以下几个特点: 1.低损耗 2.高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 

 

以非晶材料和铁氧体制作的变压器进行对比:  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。

 

 

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。 

 

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。