电源用软磁材料
1引言

  软磁材料是指矫顽磁力小,容易磁化的磁性材料.以软磁材料为主制成的电磁元件,是电源的主要元件之一.

  电磁元件对软磁材料的选择,根据不同的使用特性,有不同的要求.但是有一个共同点,那就是要求软磁材料损耗低.不管那一种电磁元件选择软磁材料,都把损耗作为一个主要指标.软磁材料的损耗包括涡流损耗、磁滞损耗和剩余损耗,除了与材料的电阻率,宽度和厚度等材料本身的参数有关外,还与磁通在电磁元件中变化速度有关,也就是与工作频率f和工作磁通Bm乘积有关.因此表示软磁材料损耗的参数——单位重量(或体积)的损耗P,都要标明使用的工作频率f和工作磁通密度Bm,一般写作PBm/f.Bm的单位用T或0.1T(kGs),f的单位用Hz或kHz.在超过1MHz的高频时,由于测试电源的限制,不直接测损耗,而测磁导率μ,也要标明测试时的工作频率f和磁场强度H.变压器是电源中第一个重要的电磁元件,它对软磁材料的损耗特别关注,因此低损耗是软磁材料发展的主要追求.

  本文对电源中应用的主要软磁材料作一介绍,并进行一些分析.
2硅钢

  硅钢是电源使用最早的软磁材料,它稳定性好,环境适应性强,磁通密度高,成本低,适用于大规模生产,而且批量之间性能差异小,是在工频和中频范围内使用量最大的软磁材料.现在的硅钢,经过近80年的发展,性能已有很大的改善,其使用范围已经扩展到20kHz以上,最高可达200kHz~325kHz.因此,不能再把硅钢排斥在高频电源使用的软磁材料之外.

  从20世纪20年代起,就已经用热轧工艺生产硅钢.从50年代起,逐渐转向冷轧工艺生产.再经过热处理,使硅钢晶粒从无方向排列的无取向,变成晶粒有方向排列的取向硅钢.60年代发明了高集成度有方向排列晶粒织构(HI-B织构)工艺,饱和磁通密度Bs上升,损耗下降.现在生产的0.30mm厚的HI-B织构取向硅钢的代表性参数是Bs为2.03T,损耗P1.3T/50Hz为0.60W/kg,P1.7T/50Hz为1.02W/kg.我国生产的硅钢只是一般的取向冷轧硅钢,个别的可达到HI-B织构取向硅钢水平.

  减少硅钢的厚度,可以减少涡流损耗.最早生产的硅钢带材厚度为0.50mm,以后到50年代逐渐下降到0.35mm,现在已降到0.30mm和0.23mm.从0.30mm下降到0.23mm,取向硅钢的损耗P1.7T/50Hz可下降0.15W/kg.更薄的硅钢带材厚度已降到0.10mm,0.08mm,0.05mm.但是随着带材厚度下降,饱和磁通密度也随着下降.为了克服这个缺点,80年代末开发出三次再结晶新工艺,制造的超薄带硅钢的厚度可以达到0.005mm(5μm).从表1列出的数据可以看出:厚度为81μm和32μm的硅钢,比300μm取向硅钢的损耗有大幅度下降,接近和超过通过磁场热处理的20μm~40μm厚的铁基非晶合金带材的水平.不过这种超薄带硅钢工艺复杂,成本高.我国生产的0.10mm厚硅钢的价格已经是20μm~40μm厚铁基非晶合金带材的2倍以上,更不用说0.08mm以下的超薄硅钢了,只有在追求体积小损耗也小的电源变压器和电抗器中才使用.

  增加硅钢中硅含量可以使铁损下降,当硅含量增加到6.5%时具有最佳的特性,磁致伸缩趋近于零,磁导率比无取向3%硅钢高,损耗小.但是,随着硅含量的增高,延伸率急剧下降.因此用轧制法生产的硅钢带材硅含量都在3.5%以下.90年代初开发成功的利用化学沉积(CVD)方法生产6.5%硅钢的制造工艺,用3%硅钢带材作原始材料,加热到1200℃后与SiCl4气体进行反应而形成高硅层,逐步均匀扩散到带材中心,从而制得6.5%硅钢带材.现在已能生产0.50mm~0.05mm厚的6.5%硅钢带材,最大宽度640mm.其主要特性与3%取向硅钢,无取向硅钢的比较见表2.表中还列出铁基非晶合金和锰锌铁氧体的数据.从表中可以看出:用6.5%硅钢制造的工频和中频电磁元件(50Hz~20kHz)损耗都比3%硅钢小,同时由于磁致伸缩系数λs小,其可闻噪声低.这对要求降低噪声干扰,重视环境保护的地方特别重要.值得高兴的是我国也试制成功这种低损耗低噪声的6.5%硅钢带材.

  特别有意义的是,利用化学沉积法还可以控制硅钢带材表面和中心的硅含量,从而得到性能特殊的硅钢,例如高、中频超低损耗硅钢和低剩磁硅钢.高、中频超低损耗硅钢带材表面硅含量高,磁导率高,磁通集中,涡流也集中在表面(再加上集肤效应).但是表面层硅含量比中心层高,呈梯度分布.这种梯度分布的高含量硅钢(牌号NKSuperHF)的损耗比均匀分布的高含量硅钢低(见表3),可以用于20kHz以下的电源变压器和电抗器中.低剩磁硅钢也是控制表面层和中心层的硅含量而得到的(牌号NKSuperBR),Br为0.35T,而取向硅钢的Br为1.28T,这样ΔB从0.4T可以上升到1.2T,可用于电源中的单向激磁脉冲变压器和开关电源变压器中.希望我国的冶金工作者在试制成功6.5%硅钢的基础上,早日试制出这种梯度分布的硅钢.

对硅钢的进一步改进已进入到磁畴范围.采取磁畴细化处理工艺,可以使损耗P1.5T/50Hz比原来再下降0.1W/kg.磁畴细化处理工艺包括机械刻痕、脉冲激光照射、直流激光照射、电火花磨削、等离子辐射、齿形辊刻槽、电解腐蚀成槽等等.日本采用磁畴细化硅钢制造的节能型电力变压器,比我国用取向硅钢制造的S9型电力变压器空载损耗低35%以上.如果变压器和直流大功率电源的整流变压器用这种磁畴细化硅钢制造,其节能效果将不亚于节能型电力变压器,值得注意.

3软磁铁氧体

20世纪40年代开始使用的软磁铁氧体,由于具有电阻率高,批量生产容易,可制成各种形状铁心而且性能稳定,成本低等特点,现已成为在中、高频电磁元件中大量使用的软磁材料,特别是在家用电器中占
绝对统治地位.由于加工大型铁氧体不容易,而且易破碎,因此使用功率受到限制.又因饱和磁通密度低,在工频和1kHz以下的中频中,很少使用软磁铁氧体.

  如果认为铁氧体电阻率高,从而得出在中频和高频领域,铁氧体损耗比其他软磁材料低的结论是错误的.软磁铁氧体和其他软磁材料一样,它的损耗包括磁滞损耗,涡流损耗和剩余损耗三部分.磁滞损耗和涡流损耗与工作磁通密度Bm和工作频率f的乘积有关,当f上升时,要保持损耗不迅速增加,Bm要相应下降.涡流损耗与电阻率ρ成反比,但是ρ也随工作频率f变化.在低于一定极限工作频率时,ρ比较高;f超过极限工作频率,ρ急剧下降;然后ρ又基本上不变,但数值相当低.剩余损耗决定于磁畴壁的运动和谐振,不能忽略.

  有人详细研究过一种添加CaO和SiO2的锰锌铁氧体在10MHz以下的损耗机制,进行了详细的测量和分析.在fBm为25000kHzT条件下,f低于1.1MHz时,损耗决定于磁滞损耗,与f成反比,随f升高而逐渐下降,在1.1MHz时,达到最低点,功率损耗60kW/m3(相当于0.06W/cm3).超过1.1MHz到3MHz,损耗决定于剩余损耗,随f升高而迅速上升.在3MHz以上,损耗决定于涡流损耗,但这时ρ已相当低,功率损耗处在200kW/m3的高水平上,基本不变.这种锰锌铁氧体的最佳工作频率在1MHz左右,极限工作频率在3MHz左右.

  对电源变压器用铁氧体,IEC已发布分类标准,中国也发布相等同的行业标准,根据工作频率,极限工作频率、工作磁通密度、100℃时损耗把它分为PW1、PW2、PW3、PW4和PW5五类(见表4).PW2相当于20世纪70年代时开发出的第一代高频软磁铁氧体.PW3相当于80年代初开发出的第二代高频软磁铁氧体,如日本TDK的PC30,中国的R2KG,RM2KB2,R2KH.PW4相当于80年代后期开发出的第三代高频软磁铁氧体,如日本TDK的PC40,中国的R2KB1,RM2KB3.PW5相当于90年代中期以后开发出的第四代高频软磁铁氧体,如日本TDK的PC50,中国试制的R1.4K,已成功用于750kHz的开关电源.中国生产的电源变压器用软磁铁氧体大多数处于PW3和PW4类水平.与此同时,中国生产的高磁导率电感器用软磁铁氧体,μi仍低于1×104,而国外大多数产品都高于1×104.

  软磁铁氧体的性能与温度有关,因此在给出它的性能参数时一定要标明温度值.例如有一种锰锌铁氧体的饱和磁通密度Bs,在100℃时只有25℃时的70%.

  同时,软磁铁氧体的磁致伸缩系数比较大,工作在10Hz~20kHz声频范围内的电磁元件,有比较大的可闻噪声.即使用于超过20kHz的中、高频,如果有声频振荡载波,也有可闻噪声.

4高导磁合金(坡莫合金)

  高导磁合金是指初始导磁率和最大导磁率高的铁镍合金等,商品名称大多数被叫做“坡莫合金”.除了高导磁率外,坡莫合金损耗比较低,特别是环境适应性比较好,性能稳定,虽然价格贵,但是仍然使用在条件比较严格的电源中.
坡莫合金主要种类是铁镍合金,由镍(35%~85%)、铁和添加的钼、铜、钨等组成.在20世纪40年代已基本定型,到70年代和80年代大量使用,形成了几十种型号,一般根据镍含量多少来分类.镍含量在30%~50%之间为低镍合金,如中国的1J30、1J34、1J50、1J51等.镍含量在65%~85%之间为高镍合金,如中国的1J66、1J79、1J80、1J88等.根据电源的需要,已经制定出各种各样的坡莫合金带材.有磁滞回线为矩形的、非矩形的、线性的(恒导磁)材料.可以轧制成0.20mm至0.005mm(5μm)厚度的各种规格.一般0.20mm厚的坡莫合金用于50Hz,0.005mm厚的坡莫合金用于500kHz~1MHz,涵盖了工频,中频至高频整个频率范围,早已突破了只能用于20kHz以下的旧观念.

  和硅钢、软磁铁氧体一样,坡莫合金近十年来也在迅猛的发展.一个是用低镍含量的铁镍合金添加铬等元素,使其达到高镍含量的导磁性能,从而降低成本.已经报导的Ni38Cr8Fe合金,在H=0.4A/m下磁导率达到100000~300000,接近高镍含量合金的水平.更突出的是国内外近年来相继推出高初始导磁率200000~300000,最大导磁率350000~500000的坡莫合金产品.还有一个是突破坡莫合金薄带制造工艺,轧成0.01mm~0.005mm厚超薄带,扩大频率应用范围.0.005mm厚的Ni80Mo5坡莫合金超薄带,在Bm为0.1T时,500kHz下损耗为0.126W/g,1MHz下为0.392W/g,5MHz下为6.79W/g,10MHz下为23.1W/g.可以用于1MHz以上的电源变压器中.

5非晶和微晶合金

  20世纪60年代末及以后研究出用快速凝固技术制造的各种非晶合金软磁材料,以及再退火晶化技术制造的各种微晶材料,成为当代电磁元件用软磁材料研究开发的方向.

  非晶合金没有形成结晶粒晶格,而形成类似玻璃那样的一种合金,因此商品名叫“金属玻璃”.现在非晶合金软磁材料有三种基本类型:

  (1)铁基非晶合金,主要成分为铁硅硼,饱和磁通密度高,工频和中频下损耗小,价格便宜,用于工频和中频电源领域.

  (2)钴基非晶合金,主要成分为钴铁硅硼,磁导率高,中、高频损耗低,价格贵,主要用于中、高频领域.

  (3)铁镍基非晶合金,初始导磁率高,可达106,低频下损耗低,可用于电源中的检测电磁元件和漏电开关用互感器.

非晶合金也可以制成矩形,非矩形和线性磁滞回线.非晶合金带材厚度一般为20μm~40μm,可以制成150μm~250μm厚的带材,也可以制成18μm~3.5μm厚的超薄带材,还可以制成小于1μm的薄膜.非晶合金的应用涵盖了电源中从低频到高频领域的各种电磁元件,是今后最有发展前途的软磁材料.

  为了克服钴基合金饱和磁通密度低,价格贵的缺点,1988年日立公司开发出微晶合金,商品名叫“Finement”,它是在铁基非晶合金中加微量的铜和铌,再经过适当的热处理,使其部分晶化,而得到晶粒大小为微米至纳米范围的微晶合金.晶粒大小为纳米范围的又称为纳米晶.以后采用类似的工艺,制造出各种各样的微晶合金.例如FeMB和FeZrNbCu微晶合金,商品名“Nanoperm”.

  非晶和微晶合金在近十年来发展迅速,不但在材料和工艺,而且在应用方面都取得了很大的进步.

  铁基非晶合金主要应用在低频电磁元件中,.它在电力配电变压器中的应用已取得良好效果,成为现在生产量最大的非晶合金.可以向电源中的整流变压器,滤波电抗器等电磁元件扩展.1990年开发出的FeMB(M为Zr、Hf、Ta)和FeZrNbBCu微晶合金(Nanoperm合金),不但工频损耗低,而且饱和磁密高,磁致伸缩系数也小,是工频电磁元件用软磁材料中性能比较理想的,在低频领域可以代替硅钢和铁基合金,在中、高频领域可以代替钴基非晶合金和铁镍高导磁合金.1998年开发出FeCoZrBCu非晶合金(商品名Hitperm),饱和磁通密度Bs高达2.0T,可以代替FeCoV系高导磁合金,是低频电磁元件用软磁材料的最新进展.以上介绍的低频领域中应用的非晶和微晶合金的性能见表5.其中Nanoperm型合金还列出中、高频领域的损耗.

  中、高频领域首选的非晶和微晶合金是钴基非晶合金和铁基微晶合金.一般(18~25)μm厚的带材,用于100kHz,小于18μm厚的薄带,用于500kHz~1MHz.钴基非晶合金20μm厚的薄带,P0.2T/100kHz只有30W/kg.现在见到报导最好的3.8μm厚渗铬的CoFeCrSiB非晶合金薄带,P0.1T/1MHz为140W/kg,P0.1T/10MHz为1022W/kg,μe(1MHz)为1×104.表6列出中、高频用非晶和微晶合金的性能,除Nanoperm型微晶合金已在表5中列出外,是现有报导中见到的损耗最低的中、高频软磁材料.

  迄今为止,上述软磁材料所见报导的代表性直流性能列于表7.可以看出,各种软磁材料都有自己的优点,都有自己能显示出综合素质的应用领域,并且在低频、中频和高频领域的应用中进行着激烈的竞争,这也推动各种软磁材料向前发展.

6结语

  (1)磁粉芯属于一种铁心结构,一种由几类材料复合而成的复合型铁心,不算是软磁材料,因此本文未予以介绍.由于收集的资料有限,本文介绍的软磁材料都属于高维(三维)材料,包括高度为厘米级以上的立体式铁心结构材料和高度为毫米级(低高度)的平面式铁心结构材料.低维材料包括二维材料的薄膜,一维材料的细丝,零维材料的微粉粒.由于只要有一维达到纳米级尺度,就称为纳米材料,因此,很大部分(除部分薄膜而外)都归入纳米材料范围,其物理特性与常规的非纳米材料有很大的差异.现在包括软磁纳米材料在内的纳米材料,正成为材料科学的研究热点,已经有在电源中应用的例子,以后有机会再进行介绍.

  (2)各种软磁材料都有自己的优缺点,都有自己的应用领域.理想的软磁材料只是一个追求的目标.

  (3)选择一种软磁材料,应当根据电源所要求的、电磁元件应具备的性能和使用条件,也就是根据实际的工作频率和工作磁通密度,综合考虑性能和价格等因素来决定.对工频和中频领域中使用的电磁元件,可用的软磁材料多,价格是一个主要因素.对高频领域中使用的电磁元件,可用的软磁材料少,价格已不是主要因素,而重量、体积和损耗,却成为了主要因素.

  (4)影响软磁材料价格的因素比较多,不单要根据材料的成份,还要考虑工艺的复杂程度,才能最终决定它的成本.例如:0.35mm~0.30mm厚的硅钢带材比铁基非晶合金带材价格低,但是0.10mm厚的硅钢带材的价格已经高于铁基非晶带材,更不用说0.025mm~0.005mm厚的超薄硅钢带材了.又例如:20μm~40μm厚的钴基非晶合金和微晶合金带材比同样厚的坡莫合金带材价格低,但是在18μm以下厚的薄带和超薄带,坡莫合金可以经过多次轧制而成,比较容易,而钴基非晶合金和微晶合金要喷制出均匀的薄带相当困难,因此价格反而比坡莫合金高.再例如:软磁铁氧体由于批量生产容易和成本低,在中、高频领域中占了绝大部分份额.现在时髦的低高度平面变压器和平面电感器都采用软磁铁氧体.但是近几年崛起的薄膜软磁材料,不但容易批量生产,成本也低,更重要的是性能好,使电磁元件达到了更高的工作频率,更轻薄短小,性能价格比更高.因此,未来高频领域中的电磁元件将是薄膜变压器和薄膜电感器的天下.这个未来,并不是十年、二十年,而是几年的时间.现在大规模使用的移动电话(手机)和个人计算机已经使用了薄膜电磁元件,其优越性是很明显的.而且由于半导体集成电路加工设备很容易改变为生产薄膜电磁元件的加工设备,条件基本成熟.更主要是市场追求价格低、性能高的导向,使这种换代只是时间早晚的问题.

  (5)各种软磁材料都在不断发展,为此对某种软磁材料的判断,不能停留在以往的认识水平上,要不断提高对发展中的软磁材料的认识,不断接受新的信息,跟上技术发展的步伐,开发出采用更新软磁材料的电磁元件.