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非晶微晶合金材料及其在电磁器件中的应用

非晶微晶合金材料及其在电磁器件中的应用
1 引言
随着电子技术的进步和电子设备的**发展，要求其电源设备及其零部件的设计同时走向高频率、重量轻、体积小、节能以及高效率。为此，传统常用的一些磁性材料如硅钢片、铁氧体材料等已不能满足这些性能所需求。于是有一类称作非晶、微晶材料的磁性材料于20 世纪 80年代被逐步研制出来。以其优良的磁性能、低损耗、高稳定性，尤其是高频性能，在电子设备领域得到了广泛应用。从近几年国内外的磁性材料应用市场情况看，非晶微晶磁性薄膜和磁粉芯正在逐步代替一部分软磁铁氧体和颇莫合金磁芯，特别是在高频电磁器件中。为此，非晶微晶合金材料及其在电磁器件中的应用的研究是十分热门的课题。在此，从一些研究文献中撷取一部分精华，供广大器件设计人员参考探讨。
2 非晶微晶合金材料
非晶微晶软磁合金材料是采用超级急速冷却凝固的技术（其温度急冷的速度为 105 °K/S～107 °K／S，即约为每秒钟冷却 100 万℃ 以上），将熔融的液态金属（钢水）一次性直接冷却形成厚度为 0.02～0.04mm的固体薄带。由于是以超急速的速度冷却，金属来不及在冷却过程中结晶，故合金中没有晶粒与品格，因此而叫做非晶合金。美国把非晶合金带料的商品名称叫做“金属玻璃”。这种合金具有许多独特的性能，如优异的磁性能、高强度、高硬度、耐腐蚀性、耐磨性、良好的韧性、高电阻率等等。如将非晶微晶软磁合金材料作磁芯制成电感器件，则具有以下性能特点：①有效导磁率高，电感量大、体积小；②矫顽力低，损耗小；③ 线圈匝数可减少，分布电容小，直流电阻小；④高饱和磁感应强度，处理器件噪声和尖峰效果好；⑤ 饱和磁场强度大，线性范围大，直流叠加特性好；⑥ 居里温度点高，温度稳定性好；⑦频率特性好。
在加工工艺方面，非晶合金材料是一次喷制成型，与其它薄带需要多重轧制不同，所以生产工艺过程有效简化了，降低了生产成本与能耗。但喷制薄带的工艺难度大大超过了轧制薄带，喷制的成品率低，总产量难以提高。据报道，2000年，我国的非晶薄带产量大约为 800 吨。
非晶合金软磁材料的品种在上世纪 80 年代基本形成。其类型主要有四种：①铁基非晶合金，主要成份是铁硅硼，其饱和磁通密度高、工频和中频工作时的损耗小，价格便宜。其主要用于工频与中频领域电源技术中的电磁器件。②钴基非晶合金，主要成份为钴铁硅硼，其导磁率高、损耗小，价格较高，饱和磁通密度低。主要用于中高频领域电源技术中的电磁器件。③铁镍基非晶合金，主要成份是铁镍硅硼。其初始导磁率高，可达105，低频下使用损耗小。主要用于电源技术中的检测电磁器件和漏电开关用互感器。钴基非晶合金有饱和磁通密度低、价格高等缺点。而第 ④类被称为非晶微晶软磁合金。1988年，日本开发出了微晶合金，其商品名称为“Finement”。它是在铁基非晶合金中加入微量的铜和铌，再经过适当的热处理时使其部分晶化，得到晶粒尺寸为微米至纳米范围的“微晶”合金。如果晶粒尺寸范围在纳米级以内，则称为“纳米晶”合金。现在，由于改进了钴基非晶合金的工艺处理技术，也可以生产钴基微晶合金了。同时，人们已经掌握了非晶微晶合金材料通过改变热处理工艺、热处理方式以及加工技术等来改变、调整其软磁特性，以使它们可以制成不同性能的电磁器件。
非晶微晶合金材料家族中具有良好应用前景的是铁基非晶和铁基微晶合金材料。因为它们的*佳应用频带在kHz。由于这个频段是当今电子技术*常用的，故更推进了这类磁性材料与磁电器件的应用。
常用非晶微晶软磁合金材料与其它软磁合金材料性能比较，请见表 1。
从表 1可见，在高频工作时，非品微晶合金独具特点（如电阻率大），因而使得在电子信息技术中被广泛应用于高频范围的软磁铁氧体材料受到了它的挑战。但同时，在电力、电子设备中普遍使用的电工钢、坡莫合金、铁氧体和非晶微晶合金软磁材料各自在不同领域发挥着重要作用，也各自有其优缺点。然而，非晶微晶合金由于不存在磁晶界各向异性、晶界即长程有序的原子排列，使其电阻率比一般晶态合金高2 倍，并且可以急冷一次形成 15～30μm 厚度的非晶带。非晶微晶合金的综合磁性能优异，其 μi 普遍可达 105以上，Bs≥1.2T，损耗低（P0.2/20k≤3.4w/kg）。如含 0.5％Sn 的 Fe83Si2B15 的非晶合金，Bs 达到1.65T，而其铁损仅为取向电工钢板的 1/5，已用于电力变压器中；加 Cu、Nd 等元素的 Fe-Si-B系钠米晶软磁合金，具有更高的 Bs 和μ值，已用于高频电源变压器；溅射 Fe-M-B（M=Zr、Ta、Hf）纳米晶薄膜，Bs 值达1.5T，已用于高密度磁记录磁头。总之，非晶微晶合金可以取代目前市场上所有的软磁材料，可广泛应用于大功率开关电源、磁放大器、高频变压器、扼流器、精密互感器等等，尤其适合于制作高频的功率输出变压器磁心。与软磁铁氧体材料比较，在相同电气指标下，非晶微晶软磁材料磁心的体积、功耗都可以减小一半，且温度特性良好。
3 非晶微晶合金铁芯的制造
3.1 非晶合金铁芯的制造
3.1.1 部分晶化法制造无气隙带绕非晶合金铁芯
利用铁基非晶合金薄带绕制的无气隙磁路闭合的铁芯。利用不同的退火工艺使其部分晶化。可制取磁导率为100～3000、恒导范围为0～3200A/M、损耗低的无气隙铁芯。这种铁芯能承受一定的直流迭加、要求单匝电感量较大的、20kHz以下的电磁器件。表 2 列出了此类铁芯的特性。
3.1.2 钴基非晶合金铁芯
钴基非晶合金具有良好的磁场处理效应，可以通过磁场处理获得较宽的恒导磁范围。另外，钴基非晶合金的高频损耗小，具有优良的导磁率。以钴基非晶合金制作的铁芯可用于不同直流迭加的开关电源，滤波电感等。但钴基非晶合金的价格高，并要进行工艺复杂的横磁处理，不能大批量地生产，使应用受到限制。表2列出了磁导率为600 的钴基非晶合金电感铁芯的部分性能。
3.2 微晶合金带绕铁芯制作
3.2.1 治炼微晶合金及制备带料
将铁合金按要求比例配置，在真空冶炼炉内冶炼合金材料。采用单辊制带设备轧制设计要求宽度的 0.025mm厚度的带料。带料要求边缘整齐、表面光亮。
3.2.2 绕制铁芯和热处理
将轧制的带料绕制成要求规格的铁芯，放于真空炉内按 540℃×0.5hr的工艺规程进行退火。在退火过程中，合金材料形成了δ-Fe(Si) 晶相和剩余非晶组成的金相组织，其δ-Fe(Si) 晶粒的平均直径为15～20 纳米 (nm)，约占 75％；剩余非晶存在于δ-Fe(Si)晶粒的界面上。这种微晶结构的合金具有高磁导率、高频损耗小等优异性能，适合制作共模电感、尖峰抑制器等。如表 3 所示。
3.2.3 铁芯浸漆、切口
将绕制完成的铁芯进行浸漆与切口。
由于带气隙的铁芯在气隙处的退磁场作用，使其磁化曲线呈线性关系：
μ’ =1/(l/μ+d/l)
式中，μ’为平均磁导率
μ为带气隙铁芯材料的磁导率
d 为气隙宽度
l 为平均磁路长度
利用这个特性，铁芯在一定的电流（磁场）范围内具有恒定的电感值，而且可以改变 d值，得到不同的μ’和恒导磁范围，扩大其应用范围。有关特性见表 3。
3.2.4 非晶合金具有磁退火感生向异性。
利用这一特性，将绕制好的铁芯在 540℃～560℃炉中加上横向磁场进行退火，获得具有一定恒磁导范围的超微晶铁芯。这类铁芯的磁路闭合、磁导率高、高频铁损小，因而单匝电感量值大，适合于高频使用。
由表 3可见，无气隙带绕微晶铁芯具有很高的磁导率，也即具有很高的单匝电感量，特别适合用于共模电感，尖峰抑制器等。且具有小型、轻量、低耗效益，如图l 所示。
带气隙的带绕微晶铁芯的恒导磁范围取决于 L、d（L 为铁芯磁路长度，d 为铁芯平均直径），故可以用调节 d 来改变恒导磁范围。
4 非晶微晶合金软磁材料的应用
4.1 低频电源技术领域的应用
铁基非晶合金的性能特点是损耗小、成本低、饱和磁通密度高，故在低频领域使用效果良好。这种材料的研究人员，始终把其应用目标重点放在用量巨大的配电变压器上，包括整流变压器、滤波电感器、交流稳压电源中的变压器和电感器，无论是油浸式的或干式的、大容量的或中小容量的。
由于铁基非晶合金应用于低频电源设备中的显著节能效果和环境保护效益，以及使用范围广，所以其产量也是当今所有非晶合金材料中*大的。同时，其品种也较多。
现在于低频电源系统使用*多的铁基非晶材料有 150～250μm 厚度的 FeSiB、FeSiBC、FeBc等，它们可以提高铁芯的填充系数。
1990 年，日本开发出了 FeMB 系非晶合金（M 代表Zr、Hf、Ta 等元素）和 FeZrNbBCu系微晶合金，商品名称为“NanoPerm”。它们不但工频损耗低，而且饱和磁通密度、磁致伸缩系数也小，是工频电源变压器适用的理想软磁材料。它们在低频领域可替代铁镍高导磁合金和钴基非晶合金。
1998 年，美国开发出了 FeCoZrBCu 非晶合金，商品名称为“Hit Perm”。其饱和磁通密度高达2.0T，可以替代铁钴钒等高导磁合金，用于要求体积小的电源变压器。
表 4 是常用于低频电源技术领域的非晶微晶合金材料及其性能表。
4.2 中频高频电源技术领域中的应用
在中高频领域使用的非晶微晶合金材料首推钴基非晶合金 20μm 以下的薄带，因其高频损耗低。
渗铬的钴基非晶合金材料，可以喷制成 10μm 以下的超薄带。它们的性能情况是：如 3.8μm 厚度的(CoFeCr)75(SiB)25 非晶合金，其损耗 Pc0.1T/1MHz 为 0.14W/g，Pc0.1T/10MHz 为1.02W/g，μe(1MHz) 为 lxl04。经过横磁场处理的 6.0μm 厚度的 (CoFeCr)77(SiB)23非晶合金，其损耗 Pc0.1T/1MHz 为 0.098W/g，μe(1MHz)1.4x104。
Finemet 型微晶合金也是中高频领域使用较多的。为了降低成本，可用一些其他元素代替部分的铌元素，其代表性材料是 FeNbCuSiB合金。厚度为 18μm 的 FeNbCuSiB 薄带，其损耗 Pc0.2T/100kHz 为 30W/kg；7.2μm 厚薄带之损耗Pc0.1T/100kHz 为 0.44W/kg，Pc0.1T/500kHz 为 1.3W/kg。
Nanopem 型非晶微晶合金在中高频领域也是使用较多的。20μm 厚度的 Fe90Hf7B3 合金，损耗 Pc0.2T/100kHz为 59W/kg。18μm 厚度的 Fe85.6Zr3.3Nb3.3B0.8Cul 合金，损耗 P0.2T/100kHz 为49W/kg。10μm 厚度的 Fe78A14 B12Nb5Cul 合金，损耗 P0.2T/1MHz 为 1.15W/g。
应该指出的是，中高频领域电源技术应用非晶微晶合金的数量还不大，但要求性能较高，尤其是损耗要小。与性能比较，价格则并不十分突出了。
5 非晶微晶软磁合金材料及其在电磁器件中的应用实例
5.1 非晶微晶合金材料在高频开关电源中的应用
非晶微晶软磁合金材料的薄带厚度和电阻率决定其*佳应用频率范围在 kHz频带，这正好与目前的高频开关电源频带相重合，所以高频开关电源就成了应用非晶微晶软磁合金材料*活跃的产品。高频开关电源中使用的磁性器件较多，如图2所示。目前这些磁性器件均为开关电源的核心元件，如功率变压器、电流互感器、共模电感、扼流圈、滤波电感、可饱和电感、尖峰信号抑制器、抗噪声干扰器件等。
我国已开发出多种规格的非晶微晶合金的 O 型、C 型、CD型等等用于开关电源功率变压器的铁芯，并广泛应用到了中频电源、逆变电源、程控交换机及逆变焊机用的电源变压器等。这些铁芯的性能见表5。这些产品的成功推广应用，有效地提高了非晶微晶合金材料及器件的技术与生产水平。
5.2 非晶微晶合金系列电感材料及器件的开发应用
在现代电子设备设计中，EMC（电磁兼容）与EMI（抗电磁干扰）已越来越引起人们重视，解决这些问题的关键元件之一即是电感器件。对：EMI器件中使用的电感器设计，人们在铁芯材料选用上曾做过很多探讨。选用价格低的硅钢和铁粉芯，其频率特性不佳，易发热影响开关管工作；使用常规高性能铁氧体材料，其饱和磁感应强度和居里点低，需要增大铁芯尺寸与加大气隙；选用坡莫合金铁芯，成本则较高，而且大电流条件下使用时的性能价格比更差。因这为种电感器的工作频带在kHz级，非晶微晶材料正适合用于此频带。现在，人们通过改进工艺加工技术、热处理技术，研制出了有效磁导率μ从几十到几万的系列材料，可以满足不同的电感器件需要。
5.2.1 共模电感及尖峰抑制器
共模电感及尖锋抑制器均为小信号工作状态，要求电感量越大越好。
L=0.4πμeN2Se／100l (μH)
式中，μe 为有效磁导率
N 为线圈匝数(匝)
Se 为有效截面积(cm2)
l 为平均磁路长度(cm)
由公式可见，L 正比于 μe，同样规格的铁芯，μe 值越高，L就越大。选用超微晶合金软磁材料作共模电感的铁芯，可以获得大大减小铁芯尺寸的要求，尤其是用于大电流、大功率工作状态下的磁芯，具有良好的性价比。例如，作为共模电感的铁芯，如果采用磁导率不到一万的铁氧体材料，其尺寸要比采用磁导率为8～10 万的微晶材料大出 8～10 倍。表 6 为超微晶合金共模电感的磁性能。
尖峰抑制器是开关电源中常用的抗噪声干扰器件，要求其中的电感器体积小、电感量大，过去一般采用高磁导率的 Co 基非晶合金制作其磁芯。但因Co 的价格高，难达到要求的性价比，之后开始选用 Fe 基超微晶合金，因而降低了成本。
5.2.2 无间隙宽恒导电感材料及器件
铁基非晶无间隙宽恒导电感材料及器件是铁基非晶合金材料的新的应用领域。用其制作的电感器件具有高频损耗低、磁导率高、饱和磁感高、铁芯尺寸小等特性，见图3，图 4，图 5。
这种材料和器件已广泛应用于 SMPS、DC／DC、AC／DC、UPS 等，见表 7。
5.2.3 带气隙非晶电感材料及器件
用铁基非晶合金制作的带气隙电感器件具有的主要特性是：① 具有高饱和磁感，从而达到小型化目的；②具有良好的高频特性，铁芯损耗低发热小，有较好的直流叠加特性、线性电感范围大且可以通过气隙进行调整。
对于大功率大电流高频电感器件，带气隙铁基非晶电感器件的性能优于铁氧体磁粉芯。例如，其有效磁导率是铁氧体铁芯的几倍，这就有利于小型化及降低成本，这是其一：**，铁氧体磁粉芯的饱和磁感、饱和磁场和居里温度都低，磁芯尺寸要比同规格带气隙非晶铁芯大几倍。目前，铁基非晶环形带气隙电感铁芯和矩形铁芯切成C 型的电感铁芯已被广泛使用，特别是在高频大电流大功率逆变电源、开关电源中已系列化。
5.2.4 铁基微晶合金磁粉芯及器件
非晶化基础上获得的铁基微晶合金磁粉芯，不仅具有非晶特性，而且综合性能更优异，容易制粉及开发磁粉芯。用它代替 Fe-Ni 和Fe-Ni-Mo 磁粉芯，拓展了它的应用领域。
铁基微晶合金磁粉芯具有良好的综合性能，如软磁特性、高频特性、温度及环境稳定性等，见表 8，图 6，图 7。
铁基微晶合金磁粉芯因其具有良好的电感量和高品质因素 Q值，适用于作高频大电流大功率条件下的各类开关电源变换器及功率因数校正技术中的扼流圈、滤波电感及贮能电感等。与用 0.1mm厚的硅钢铁芯相比，铁损将从 30W 左右降到 5W 左右，铁芯重量可降下 15％左右。
6 应用举例
下面介绍两种使用非晶铁心的恒压变压器性能。
6.1非晶铁心 400Hz 恒压变压器
a. 铁心规格：80x40x20(mm)
b. 输出功率：390～415W
c. 输出电压稳定度：在输入电压变化为 160V～250V(-27％～+13％) 时，输出电压稳定度为-1.6％～+0.7％；测试数据见表 9。
d. 负载稳定性：输出功率从 1/3～满功率，电压变化率 <2%
e. 短路特性：输入电压 220V，输出短路，则输入短路电流 Ik≤5.5A。
g. 温升：Δt<45℃。
h. 波形系数：利用 LC 波形校正电路，输出电压波形校正系数 <10％。
6.2 非晶铁心 1kHz 恒压变压器
a. 铁心规格：52×25×14 (mm)
b. 输出功率：160W
c. 输出电压稳定度：在输入电压变化为 80V～130V 时，输出电压变化 <±1.5％。测试数据见表10。
d. 负载稳定性：输出功率从 l/3～满功率，电压变化率 <1.5％。
e. 效率：输入功率 170W，输出功率 168W，效率η=98.8％。
f. 温升：Δt≤40℃。
7 小结
非晶微晶合金材料是一种综合磁性能非常优异的软磁材料，而且其制备工艺相对简单，因此己广泛应用于电子变压器和电感器。由于用不同的热处理方式与加工方式可以得到有效磁导率从几十到几万的系列材料及器件，所以这种合金材料可以得到*合理的利用，取得良好的性价比。

来源: 《国际电子变压器》2008年7月刊　作者：高适编译姜劲校

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