究竟是磁粉芯好，還是鐵粉芯好？相信是許多工程師在進(jìn)行開關(guān)電源方案的設(shè)計(jì)中經(jīng)常碰到的疑問。在高功率電感的磁芯選擇問題上，磁芯、粉芯、鐵硅鋁以及鐵氧體中的選擇和比較是工程師經(jīng)常探討的問題。市場(chǎng)上高功率電感的磁芯選擇還是挺多的，可供選擇的電感材料有：鐵硅鋁（Kool Mµ）、鐵粉芯、鐵硅（硅鋼疊片）、間隙鐵氧體、鉬坡莫（MPP）和高磁通 (High Flux)等。那么他們究竟有什么特性適合怎么樣的應(yīng)用呢？
磁芯材料比較
鐵硅鋁與間隙鐵氧體
鐵硅鋁和間隙鐵氧體是兩種常用的材質(zhì)，在軟飽和方面，間隙鐵氧體必須在下降曲線的安全區(qū)進(jìn)行設(shè)計(jì)。鐵硅鋁 (Kool Mµ)被設(shè)計(jì)在受控制的下降曲線范圍中，這樣就能夠提供好的容錯(cuò)特性，特別是在高功率時(shí)候。
在磁通量比較方面，假設(shè)特定的50％下降設(shè)計(jì)點(diǎn)，鐵硅鋁(Kool Mµ)的磁通量是間隙鐵氧體的2倍以上, 這使磁芯的尺寸可縮小35％，設(shè)計(jì)時(shí)可以把磁芯的尺寸縮小30%至35%。
軟飽和曲線使鐵硅鋁 (Kool Mµ)設(shè)計(jì)本身具有容錯(cuò)能力，而間隙鐵氧體則沒有。
鐵氧體磁能力隨溫度變化，而鐵硅鋁 (Kool Mµ)保持相對(duì)穩(wěn)定。很多鐵氧體供應(yīng)商或者廠家會(huì)給出產(chǎn)品在25℃到100℃不同環(huán)境下材質(zhì)的差異。由于鐵硅鋁的材質(zhì)及結(jié)構(gòu)和間隙鐵氧體不同，隨著溫度改變，變化不會(huì)很大。
在邊緣損耗方面，鐵硅鋁 (Kool Mµ)不會(huì)發(fā)生邊緣損耗，而間隙鐵氧體有很大的邊緣損耗。鐵芯的間隙部分隨著溫度的增加損耗會(huì)增加。鐵硅鋁(Kool Mµ)也有間隙，但是這是均勻的分布式間隙，因?yàn)檫@個(gè)形式，在高功率的應(yīng)用上會(huì)更好。
對(duì)于尺寸和儲(chǔ)能，從鐵硅鋁(Kool Mµ)與錳鋅鐵氧體在LI2值比較中可以看出，當(dāng)尺寸都是55mm的大小，測(cè)試鐵硅鋁用60µ，鐵硅鋁(Kool Mµ)在體積大小的情況下，儲(chǔ)能大概是錳鋅鐵氧體的2倍多，如表1所示。
而當(dāng)儲(chǔ)能是一樣的時(shí)候，LI2值一樣，鐵硅鋁(Kool Mµ)體積縮小了很多，對(duì)于設(shè)計(jì)者來說，這有效縮小了設(shè)計(jì)尺寸。如表2所示。
表1 鐵硅鋁 (Kool Mµ) 與錳鋅鐵氧體之LI2值的比較
表2 鐵硅鋁 (Kool Mµ) 與錳鋅鐵氧體尺寸上之比較
間隙鐵氧體也有很多優(yōu)點(diǎn)，間隙鐵氧體可以有很高的有效磁導(dǎo)率µeff，鐵氧體可以在500 以上而鐵硅鋁 (Kool Mµ) 目前受限于 µeff = 125。間隙鐵氧體使用在一些低功率的設(shè)計(jì)時(shí)更為適合。
間隙鐵氧體電感系數(shù)的公差值較低，如果工藝好的話，多數(shù)的鐵氧體電感系數(shù)的公差值為 ±3，而鐵硅鋁 (Kool Mµ) 為 ± 12% 。
間隙鐵氧體有較多種類的形狀，有Pot Cores、EFD's、PQ's等等，而鐵硅鋁 (Kool Mµ)形狀目前受限于 E-Core、U-Core & Blocks。
鐵硅鋁與鐵粉芯
除了承受直流偏置外，開關(guān)穩(wěn)壓電感器還有一定交流電，通常在10kHz至300kHz。這種交流電流會(huì)產(chǎn)生高頻磁場(chǎng)，造成磁芯損耗并導(dǎo)致磁芯變熱。這種情況在鐵硅鋁(Kool Mµ)中會(huì)減少，因此電感更有效率，溫度更低。
鐵硅鋁(Kool Mµ) 的磁芯損耗低于鐵粉芯。關(guān)于接近零的磁致伸縮問題，鐵硅鋁(Kool Mµ)非常適用于消除濾波電感中的音頻噪音。鐵硅鋁(Kool Mµ)在制造時(shí)沒有使用有機(jī)粘結(jié)劑，因此，沒有任何熱老化的問題。所有鐵硅鋁(Kool Mµ)磁芯都能在200 ℃下連續(xù)操作，相對(duì)的，鐵粉芯有磁致伸縮。
鐵硅鋁與硅鐵
大型電感器中也會(huì)使用特級(jí)的硅鐵疊片，通常是塊狀或條狀。硅鐵的優(yōu)勢(shì)在于飽和磁通密度較高。鐵硅鋁 (Kool Mµ)形狀（E、U、I型的磁芯）也可以經(jīng)過適當(dāng)?shù)臉?gòu)造應(yīng)用于大型電感器。雖然硅鐵有較高的飽和磁通密度，但鐵硅鋁 (Kool Mµ)具備更多優(yōu)點(diǎn)，例如較好的軟飽和度、很低的磁芯損耗、溫度穩(wěn)定性和較低的成本。圖1為各種大型鐵硅鋁器件。
圖1 為各種大型鐵硅鋁器件
硅鐵塊具有離散間隙，與鐵硅鋁(Kool Mµ)的分步式間隙不同，因此隨著電流增加，飽和出現(xiàn)要快的多。鐵硅鋁(Kool Mµ) 可利用飽和曲線的優(yōu)點(diǎn)，設(shè)計(jì)出較小的電感器。
硅鋼裝配件中所用的環(huán)氧樹脂中一般不能像鐵硅鋁(Kool Mµ)在200 ℃操作。
鐵硅鋁(Kool Mµ)成本低于同等大小的硅鋼塊。
在鐵損的部分，鐵硅鋁 (Kool Mµ)的磁芯損耗遠(yuǎn)低于硅鋼疊片。用20µ鐵硅鋁和硅鐵相比較，在10kHz和50kHz的頻率情況下，硅鐵的磁損更厲害。
鐵硅鋁的特點(diǎn)和應(yīng)用
鐵硅鋁(Kool Mµ)是什么呢？簡(jiǎn)單來說，它是由鋁-硅-鐵組成，它擁有相當(dāng)高的Bmax(1050mT)，它的磁芯損耗遠(yuǎn)低于鐵粉芯及高磁通，有低磁致伸縮（低噪音），是低成本的儲(chǔ)能材料，無熱老化，可以用于替代鐵粉芯，在高溫下性能非常穩(wěn)定。
總結(jié)一下鐵硅鋁的特點(diǎn)：適當(dāng)?shù)某杀荆瑑?yōu)于鉬坡莫合金/高磁通以及復(fù)合合金；較低的損耗，優(yōu)于鐵粉芯；高飽和度，優(yōu)于間隙鐵氧體；接近零的磁致伸縮，優(yōu)于鐵粉芯；無熱老化現(xiàn)象，優(yōu)于鐵粉芯；軟飽和，優(yōu)于間隙鐵氧體及復(fù)合合金。
鐵硅鋁(Kool Mµ)有六種磁導(dǎo)率（26μ、40µ、60µ、75µ、90µ和125µ）和三種形狀 Toroids、 E core、 U core & Blocks。
鐵硅鋁應(yīng)用包括功率因數(shù)校正扼流圈，升壓/降壓穩(wěn)壓器，直流輸出電感器和回掃變壓器。
大型鐵硅鋁 Kool Mµ®應(yīng)用在高電流 (功率)電感器、太陽能轉(zhuǎn)換、UPS 不斷電系統(tǒng)、混合動(dòng)力汽車、風(fēng)能轉(zhuǎn)換和其他高電流應(yīng)用。
除了大型鐵硅鋁，如圖1所示還有一些平版型的鐵硅鋁。平版型的鐵硅鋁器件如圖2所示。
圖2 平版型鐵硅鋁
平版型的鐵硅鋁有兩種選擇，有傳統(tǒng)的方型和圓形。如圖3所示。
圖3 方型和圓形的鐵硅鋁
相對(duì)方型的，圓形的有諸多優(yōu)點(diǎn)，比如縮小整個(gè)電感器因繞制而增加的體積，在相同的匝數(shù)下減少繞線線長(zhǎng)的使用，最小化的DCR (直流電阻），降低銅損，降低使用銅導(dǎo)線上的成本和整個(gè)電感器的繞制成本。
鐵硅鋁Kool Mµ (平板形) 的特點(diǎn)有應(yīng)用于高電流的設(shè)計(jì)、漏磁減少至非常低、較佳的直流偏置特性、良好的散熱效果和溫度穩(wěn)定性、具存儲(chǔ)能量的高性能、可直接安裝在PCB上。鐵硅鋁Kool Mμ( 平板形) 的應(yīng)用有在DC / DC轉(zhuǎn)換器、大電流扼流圈、電腦中的中央處理器圈。
綜上所述，在磁芯的選擇上，要著重注意四個(gè)問題：第一，選擇合適的磁芯材料，鐵硅鋁（Kool Mµ）、鉬坡莫合金、高磁通、鐵硅合金或鐵氧體，第二，選擇合適的磁芯尺寸，包括形狀和大小；第三，選擇時(shí)要注意繞制上的考量，比如電流密度、繞線的長(zhǎng)短和匝數(shù)；第四點(diǎn)，選擇時(shí)要兼顧性能和成本。
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問答選編
問：鐵硅鋁磁芯適用的頻率范圍為多少？
答：鐵硅鋁磁芯的應(yīng)用頻率可以高達(dá)20MHz的頻率，但通常人們會(huì)使用約100kHz至500kHz的頻率在他們的設(shè)計(jì)中。
問：鐵硅鋁的形狀是否可以按照客戶的要求定制？
答：可以定制，但是具體尺寸是否真正能夠提供要看具體需求。
問：鐵硅鋁在噪聲抑制方面有什么優(yōu)越性嗎？
答：相對(duì)于鐵粉芯，鐵硅鋁減少了高頻應(yīng)用時(shí)的噪聲，擁有很低的磁致伸縮。
問：鐵硅鋁的最大工作和儲(chǔ)存溫度為多少？
答：由于涂層的關(guān)系，鐵硅鋁的最高溫度為200℃，而磁芯本身可以高達(dá)500℃的溫度。
問：現(xiàn)在有哪些比較好的針對(duì)電感性能測(cè)試的工具或者手段？
答：LCR儀表（HP4284）可以為您提供非常精確的電感測(cè)量。磁芯損耗儀表（Yokogawa）可以提供很準(zhǔn)確的核心損耗測(cè)量。
問：從目前來看哪類磁芯較有發(fā)展前景？
答：這取決于你需要什么樣的額定功率，對(duì)于低功率應(yīng)用，鐵氧體磁芯會(huì)比較適合，而在高功率應(yīng)用上，鐵粉磁芯和非晶磁芯將會(huì)比較適合。
問：除了在材料選擇，還應(yīng)該在哪些方面進(jìn)行成本控制？
答：材料決定特點(diǎn)和性能，而成本取決于材料。
問：較大的直流偏場(chǎng)下，要保證電感值的最小直流漂移可選擇哪種磁芯？
答：非晶磁芯。
問：同等功率的變壓器設(shè)計(jì)中，鐵硅鋁與鐵氧體相比，成本和體積上有何優(yōu)勢(shì)？
答：成本由材料決定，鐵硅鋁相對(duì)于氣隙鐵氧體大小可以減少約30％~35％。
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