應用于EMC的磁元件-磁材料基礎

應用于EMC的磁元件-磁材料基礎

前言

電子產品中往往含有數量可觀的磁元件，了解這些磁元件的特性有助于設計者正確的選型。這些磁元件由種類繁多的磁材料制成，了解不同材料的特性，一定程度上可以掌握磁元件本身的設計。對于具有一定特殊性，需要定制磁元件的產品來說，顯得尤為重要。

應用于電力電子學中的磁性材料可以分成軟磁材料和硬磁材料，二者區分的主要標準是磁滯回線的寬度和斜率。

硬磁材料的磁滯回線比較寬，如圖1a所示。硬磁材料中的矯頑力比軟磁材料對應的矯頑力的值要高，如圖1b所示。對比軟磁材料和硬磁材料，硬磁材料中需要強磁場來旋轉原子大小的磁疇。所以當硬磁質被完全磁化時，需要更強的反向磁場來減小材料中的磁感應強度，直到變為0。硬磁質通常應用于永磁鐵中，主要包括鐵與鋁、鎳和鈷的合金，有時稱作阿爾尼科合金；釤與鈷的合金，銣與鐵、硼的合金，特指NdFeB。硬磁質在電動機和發電機中被廣泛使用。

另一方面，軟磁材料通過比較低的磁場強度就能夠獲得較高的磁感應強度，如圖1b所示。這意味著軟磁材料可以很容易的磁化和去磁。軟磁材料的矯頑力比較低并且B-H回線比較窄。軟磁材料包括鐵氧體、硅鋼、鐵鎳合金、鐵-鈷-釩的合金和非晶合金。

一、磁性材料基礎

磁性是物質的基本屬性之一。外磁場發生改變時，系統的能量也隨之改變，這時就表現出系統的宏觀磁性。從微觀的角度來看，物質中帶電粒子的運動形成了物質的元磁矩，當這些元磁矩取向為有序時，便形成了物質的磁性。原子的磁性是磁性材料的基礎，而原子磁性主要來源于電子磁矩，原子核磁矩遠小于電子磁矩。

二、磁性材料的基本概念

1.磁質的分類及特點

根據物質磁性的不同特點可以分為弱磁性和強磁性兩大類。

弱磁性僅在具有外加磁場的情況下才能表現出來，并隨磁場增大而增強。按照磁化方向與磁場的異同，弱磁性又可分為抗磁性和順磁性。

強磁性主要表現為在無外加磁場時仍表現出磁性，即存在自發磁化。根據自發磁化方式的不同，強磁性又分為鐵磁性、亞鐵磁性、反鐵磁性和螺磁性。這些磁性通常有廣義地成為鐵磁性。

圖1為幾種典型磁性物質中原子磁矩的排列形式。設箭頭表示原子磁矩的方向，其長度代表原子磁矩的大小。由于物質內部自身的力量，使所有原子磁矩都朝向同一方向排列的現象，成為鐵磁性（圖2a）；如果相鄰的原子磁矩排列的方向相反，但由于大小不同，不能相互抵消，結果在某一方向上仍顯示了原子磁矩同向排列的效果，稱為亞鐵磁性（圖2b）；如果相鄰的原子磁矩排列的方向相反，并且其大小相同，則原子間的磁矩完全抵消，稱為反鐵磁性（圖2c）；某些物質的原子磁矩不等于零，但各原子磁矩的方向是紊亂無序，結果在這種物質的任一小區域內還是不會具有磁矩的，稱為順磁性（圖2d）。

圖2 小區域內原子磁矩的自發排列形式

（a）鐵磁性；（b）亞鐵磁性；（c）反鐵磁性；（d）順磁性

2. 自發磁化與磁疇

鐵損耗材料通常為鐵磁性、亞鐵磁性材料。鐵磁性物質從物質的氣、液、固三態來說，與其他固體并沒有什么區別；鐵磁性物質可以是導體（如金屬或合金的磁性材料）也可以是電介質（如鐵氧體），從電導的角度來說，它與其他導體或介質沒有質的區別；鐵磁性物質的每一個原子或分子都有磁矩，從這一點來看，它與順磁性物質又沒有什么區別。鐵磁性（包括亞鐵磁性）與其他運動形式的質的區別是具有自發磁化和磁疇。

自發磁化是由于物質內部自身的力量，使任一小區域內的所有原子磁矩都按一定的規則排列起來的現象。由此可見，在鐵磁性、亞鐵磁性和反鐵磁性物質內都存在著自發磁化，只不過相鄰原子磁矩的排列方向不同罷了。

自發磁化的原因是由于相鄰原子中電子之劍的交換作用，這一作用直接與電子自旋之間的相對取向有關。設i原子的總自旋角動量為j原子的總自旋角動量為，則根據量子力學，i，j原子的交換作用能為

式中，i，j原子的電子之間的交換積分。

原子中的電子就是在這個原子交換作用能的作用下，猶如受到一個磁場的作用，完成了原子磁矩的有序排列，形成了自發磁化。這個使原子磁矩有序排列的磁場稱為外斯“分子場“

式中，z為i原子的鄰近數；n為單位體積的原子數；M為自發磁化強度；為交換積分。由此可見，產生自發磁化的“分子場”與自發磁化強度成正比。

磁疇是鐵磁物質內部分成的許多自發磁化的小區域，每個小區域中的所有原子磁矩都整齊地排列起來，但不同小區域的磁矩方向不同。磁疇的形狀、大小及它們之間的搭配方式，統稱為磁疇結構。磁性材料的技術性能，都是由磁疇結構的變化決定的。一個磁疇體積的數量級約為，一個原子體積的數量級僅為，因此，每個磁疇內大約可以包含個原子。Fe、Co、Ni等過度族元素，具有鐵磁性即存在自發磁化和磁疇；而Mn、Cr等元素的原子內部，雖然也有原子磁矩（3d層沒有被填滿）但卻不具有鐵磁性，即沒有自發磁化使得原子磁矩有序排列并形成磁疇。

從能量的角度來看，實際存在的磁疇結構，一定是能量最小的。在通常的磁性材料中，若不分成磁疇（多疇），整塊材料就只有一個磁疇（單疇），其端面上將出現磁荷，因而存在著退磁能。如果在材料中形成了不同形狀（片形疇、閉合疇、旋轉結構等）的磁疇，便能有效的降低或消除退磁能，使之在能量上處于比單疇更為有利的穩定狀態。因此，材料內部出現磁疇結構，是為了降低退磁能，也就是說，由于退磁能的存在決定著磁性材料內必須紛爭磁疇。實驗室是證明，磁疇結構的形式以及這種形式在外部因素（磁場、應力等）作用下的變化，直接決定了磁性材料技術性能的好壞，也是我們分析各種磁現象的重要基礎。圖3為幾種典型的磁疇結構形式。

圖3 幾種典型的磁疇結構形式

（a）片形疇（開放式）；（b）封閉疇（封閉式）；（c）旋轉結構（封閉式）

二、軟磁材料

軟磁材料在電力電子學的設備中有很多應用。它們廣泛應用于高頻變壓器、驅動和觸發開關元件的隔離變壓器、整流器中的濾波電感、功率因數校正、EMI控制、用于軟開關的諧振電感和電流互感器。

軟磁材料主要分為鐵氧體、層片狀鐵合金、鐵粉磁芯、非晶體合金、納米晶體合金。每一種材料的主要特點總結如下。

1. 鐵氧體

在大功率設備中，鐵氧體時最常使用的一種磁性材料。

鐵氧體時深灰色或黑陶色材料并且易碎。它們由氧化鐵（Fe2O3）,并摻雜其他金屬，如鈷、銅、鎂、錳、鎳、硅和鋅。最常見的兩種鐵氧體時錳鋅鐵氧體（Mn-Zn）和鎳鋅鐵氧體（Ni-Zn）。

每一種合金的磁性質和電性質都有所不同。舉例來說，鎳鋅鐵氧體有較高的電阻率，大概在10000Ω·m，這使他非常適合在高頻（1MHz）中使用。另一方面，錳鋅鐵氧體具有比較低的電阻率，大概在1Ω·m左右，但是其有較高的磁導率和飽和磁感應強度，使它非常適合于1MHz以下的應用。

通常來說，鐵氧體居里溫度較低，這一點在使用中必須考慮到。鐵氧體可以制成各種形狀，可以在電感器、變壓器和濾波器中有廣泛應用。與片狀磁芯和鐵粉芯相比，鐵氧體的飽和磁感應強度非常低，這限制了其在大電流設備中的應用。

鐵氧體作為電力電子最常用的磁材料，通常我們用到的鐵氧體主要為錳鋅鐵氧體和鎳鋅鐵氧體。鐵氧體既可以用于射頻器件、也可用于開關電源中變壓器和電感、更普遍的應用在濾波電路中。其中《變壓器與電感設計手冊》中對錳鋅和鎳鋅鐵氧體基本特性進行了對比，如下表所示。

表1. 錳鋅與鎳鋅基本特性的比較

由于電阻率的差異，錳鋅鐵氧體主要應用在插件類電感中，而鎳鋅鐵氧體則可以加工成貼片類電感，節約了PCB空間和加工成本。深層次的差異是，錳鋅鐵氧體的低電阻率，決定了其分布電容將會大于鎳鋅材質鐵氧體，使其高頻阻抗進一步被削弱。

圖4為TDK提供的頻率-磁導率曲線，可以看出錳鋅鐵氧體的頻率響應帶寬約在2MHz以內，鎳鋅鐵氧體的頻率響應帶寬約為0.1~100MHz。因此在不同頻段的噪聲，我們需要用到不同材質的電感。

（a）錳鋅鐵氧體 （b）鎳鋅鐵氧體

圖4. 典型鐵氧體的頻率特性

2. 層片狀鐵合金

層片狀鐵合金一般應用于低頻或中頻環境中。在交流工作條件下應用于變壓器和電感的磁芯如果采用層片狀結構。由于層片彼此之間是電氣隔離的，能夠減小鐵芯中渦流。這種層片可以被沖壓成各種形狀，常見的是E形和C形。在應用中，利用這種磁芯相互組合，降低了飽和的可能性，但是會帶來氣隙。環形磁芯最高工作頻率可達20KHz。材料上可以主要有兩種類型：硅鋼合金和鐵鎳合金。

在硅鋼合金材料中，由于在鐵質中加入了硅元素，降低了合金的電導率，并低于普通的鐵，減小了合金中的渦流。另外，在交流應用中由于磁疇壁的旋轉將會產生磁滯伸縮的效應，加入了硅元素可以降低這種效應，同時還可以抑制噪聲。然而硅鋼合金降低了飽和磁感應強度，并且他們比鐵易碎。由于制造方面的考慮，硅的含量一般為3%，最多可以做到6.5%。硅鋼作為層片狀磁芯的材料，用作功率變壓器和電感器已經有超過100年的歷史。這種鋼材通過退火加工并且制成層片狀，并且重新排列內部的晶體取向，以保證在主坐標軸上獲得最大的磁感應強度。硅鋼也應用在電動機和發電機中。

鎳鐵合金通常由80%的鎳和20%的鐵組成，并加工成層片狀或者環形磁芯。這種合金的特征是具有較小的矯頑力、較高的飽和磁感應強度、較高的磁導率（達到100000）和較高的居里溫度。這種合金主要應用于電流互感器、聲頻變壓器和磁性放大器中。它們正逐步的應用于不超過20KHz的電力設備中。它們同樣也具有低等級的磁滯伸縮，使它們在應用中可以加工成薄膜。這種磁芯通常放置于非金屬制成的外殼中，以保護磁芯材料。

3.鐵粉磁芯

由鐵或者鐵的合金粉末相互混合或者用絕緣材料粘合，并且壓制而成的磁芯為磁性粉末磁芯，通常被制成圓環狀。通過磁性粉末和絕緣樹脂相互混合制成的磁芯具有分布的氣息，這導致這種材料的有效相對磁導率比較低。有效磁導率是磁粉顆粒的尺寸、顆粒之間的間隔、絕緣粘合劑的厚度以及內部成分的函數。在磁性質方面，粘合劑材料與分布于磁芯之間的空氣具有相同的作用。磁芯中的分布氣隙意味著這種磁芯在達到飽和之前可以承受住更大的直流電流。

在盡可能高的工作頻率下，鐵粉顆粒的直徑小于集膚深度，使其渦流損耗較小。有效相對磁導率通常為15~550，磁芯電導率大概在1Ω·m左右。最大磁感應強度可以高達1.5T。如果用這種磁材料加工成電感器，其電感值可以在很寬的溫度范圍內保持穩定。

鉬坡莫合金或者稱作MPP合金是用于粉末磁芯制造中最常見的一種材料，這種由羥基鐵構成的材料可以在200MHz的高頻條件下保持穩定。粉末鐵芯的氣隙可以在一些應用中帶來正面的作用，如能量存儲電感器。它們通常應用于開關模塊供電，高Q值電感器、濾波器以及扼流線圈。

4.非晶體合金

非晶體合金通常由兩類元素構成：產生磁性的磁性元素（鐵、鎳、鈷以及它們之間的組合）和包括硅、硼和碳的金屬元素，這些元素降低合金的熔點以方便加工。這樣的結構與玻璃非常相似，所以這些合金又稱作金屬玻璃。通常來說，非晶體合金的電阻率可以達到1.6μΩ·m，這是硅鋼的3倍，但是比鐵氧體低幾個數量級。它的居里溫度在350℃左右，其典型的飽和磁導率可以高達1.6T，這遠遠高于鐵氧體。相對磁導率可高達100000，這是非常出眾的。非晶體合金也具有較低的矯頑力。通過制成環形磁芯可減少磁芯損耗。但是非晶體合金與納米晶體材料相比，不具有很高的溫度穩定性。當工作溫度從25℃升高到250℃時，飽和磁感應強度會減少30%。

基于鐵元素的非晶體材料應用于低頻變壓器和大功率電感器，由于其與晶粒取向鋼相比具有較低的損耗，同時又具有較高的飽和磁感應強度，在脈沖變壓器、電流傳感器和磁場放大器中都可以應用這種材料。

基于鎳元素和鐵元素的非晶體合金可以得到比較高的相對磁導率，飽和磁感應強度在1T左右。它們在中低頻變壓器中替代鐵磁芯而發揮作用?；阝捲氐暮辖鹜ǔ３杀颈容^高，有很高的相對磁導率，但是飽和磁感應強度的最大值小于1T，經常用于某些特殊應用。

5.納米晶體材料

納米晶體材料由超微細的晶體構成，典型尺寸為7~20nm，通?；阼F元素。除了鐵之外，還會摻入少量的硅、硼、銅、鉬和鈮。在這些元素中，銅、硼和鈮是非常常見的。這種材料具有類似于硅鋼的高飽和磁感應強度，高頻時又具有類似于鐵氧體的低損耗。它的典型相對磁導率為20000，飽和磁感應強度可以達到1.5T。由于渦流帶來的磁芯損耗很低，因為這種材料在內部被制成了厚度為15~25μm的納米帶形式，其電導率為0.012μΩ·m。這種很薄的納米帶形成了層片狀結構并且降低了渦流損耗。這種納米晶體材料在很寬溫度范圍內具有非常好的穩定性，其居里溫度為600℃，遠高于鐵氧體。

納米非晶體磁芯可應用于150KHz以內的設備中。由于其非常高的相對磁導率，適合應用于電流互感器、脈沖變壓器和共模EMI濾波器。在軍事應用中，納米晶體材料比鐵氧體材料更受青睞。

非晶和納米晶體材料往往應用在低頻噪聲的濾波電路中，如2MHz以下。通常我們用到的這類電感在高于10MHz以上的頻段下幾乎沒有作用，這是由于非晶/納米晶帶材的厚度較大，且內部晶粒較粗，我們知道高頻下的導體具有趨膚效應，當材料厚度較大時，便可以提供足夠的鏡像電流，也就是說分布電容將會增加到使電感失效的程度，而較粗的晶粒決定了其在高頻外加磁場下翻轉能力變差。為了提高此類材料的高頻效果，國內外廠家一直在致力于降低帶材的厚度和晶粒大小，如走在前沿的VAC公司，他們的帶材晶?？梢宰龅?0~15nm，帶材厚度20um。如圖5中500F非晶帶材，其在1GHz以內的磁導率整體高于常見的錳鋅鐵氧體?？梢詽M足一些高帶寬濾波器的設計需求。

6.一些磁性材料的性質

表2是一些磁性材料的磁特性和工作特性

表2 軟磁材料

三、磁材料的物理特性

理解磁材料的物理特性，有助于理解磁元件的工程應用，方便工程師準確的使用正確的材料和結構尺寸。第二章從經驗的角度給出了磁材料的種類和應用，這里更深一步的講解磁材中的微觀特性。

1.磁滯回線

相對于電子，自然界中沒有獨立的“磁子”。從第一章中可以看出，自然界中的“磁子”可以看做大量的原子組成的磁疇。單個磁疇有極化方向，并且在外加磁場足夠強時隨其變化。在外加磁場的磁化和反磁化過程中，磁疇的變化總是滯后于外加磁場的變化。這種滯后現象稱為磁滯現象。

實際中的磁材料在反復磁化過程中，其磁場H和磁感應強度B之間的關系是非線性的，將兩者反映在坐標軸上，稱為磁滯回線。

如圖6，當無外磁場作用(H=0)時，如果整個鐵磁體對外不顯示磁性，即B=0，這時鐵磁體所處的狀態稱為退磁狀態。在以B為縱坐標、H為橫坐標的坐標系中，退磁狀態由坐標原點O表示，如圖所示。逐漸增大磁場H，鐵磁體的狀態沿OQ變化。當狀態達到Q若繼續增大磁場H，磁化強度B不再有明顯變化，此點所對應磁化強度稱為飽和磁化強度，常用Bs表示。曲線OQ稱為基該磁化曲線，這條曲線通常不是直線，因此，鐵磁體的磁化率 cm不是常量，而是磁場強度H的函數。處于Q狀態的鐵磁體，隨著外磁場的減小，狀態并不沿原來的路徑QO變化，而是沿QR變化。當磁場H降至零時，鐵磁體不再回到退磁狀態O，而是達到R，這時鐵磁體所具有的磁化強度稱為剩余磁化強度，常用Br 表示。此后若對鐵磁體施加一反向磁場，并逐漸加大磁場強度，鐵磁體的磁狀態將沿曲線RS變化。S所對應的磁場強度是使鐵磁體剩余磁化強度全部消失時所必須施加的反向磁場，稱為矯頑力，常用Hc表示。若繼續增大反向磁場，鐵磁體的磁狀態將沿曲線ST變化，并在T達到反向磁化飽和，其磁化強度為-Bs。若減小反向磁場，狀態將沿曲線TU變化，U所對應的狀態是反向剩磁狀態，磁化強度為-Br。若在此狀態施加正向磁場，并逐漸增大磁場強度，則鐵磁體的磁狀態將沿曲線UVQ變化，達到Q，又重新磁化飽和。

隨著磁場強度的變化，鐵磁體的磁狀態沿著一閉合曲線QRSTUVQ變化，這個閉合曲線就稱為磁滯回線。顯然，對于參量B與H之間的關系也表現為類似的閉合曲線。鐵磁體磁化過程的這種不可逆性，稱為磁滯現象。這是鐵磁質與其他磁介質的又一不同性質。

圖6. 典型的磁滯回線

2.磁滯回線的頻率特性

從第一節中，可以理解磁感應強度與磁場之間的關系。由于兩者間存在著磁滯現象，這種滯后現象決定了其的頻率響應為非線性的。也就是說，當頻率高到一定程度，材料內磁疇翻轉極性的速度將趕不上外部磁場變化的速度，這時磁材料將會失去該有的作用。表現在磁導率上，材料的磁導率將會變為1。

如圖7所示，外層回線為低頻下的，內層為頻率逐漸升高的磁滯回線。隨著頻率升高，磁滯現象愈發明顯。正因如此，磁芯電感的感值隨著頻率增加而呈現出下降特性。

圖7. 隨著頻率增加，磁滯回線外形趨向于橢圓

圖8為某廠家的磁芯磁導率曲線，藍色曲線為磁導率，紅色曲線為磁損耗。從中可以看出，磁導率的峰值并未在頻率初始位置，而是在整個測試頻段中間某一位置。這與前面并不矛盾，因為在低頻下，單一頻率的磁場曲線中很小，一定程度上磁場幅值隨時間變化的關系可以看做線性關系，所以磁導率相對較小。

圖8. 某磁芯的磁導率測試曲線

3.一些基本概念

TDK公司提供的鐵氧體概要中，有對磁材料設計中遇到的術語及定義進行解釋，下面為我們常用到的一些基本概念。

(1) 真空磁導率

(2) 相對磁導率

(3) 初始磁導率：是指基本磁化曲線當H→0時的磁導率

(4) 最大磁導率：在基本磁化曲線初始段以后，隨著H的增大，斜率μ＝B/H逐漸增大，到某一磁場強度下()，磁密度達到最大值（） ，即?如圖 6所示。? ? ?

(5) 飽和磁導率：基本磁化曲線飽和段的磁導率，值一般很小，深度飽和時，。

(6) 有效磁導率。在用電感L形成閉合磁路中（漏磁可以忽略），磁心的有效磁導率為：

：磁心常數,是磁路長度l與磁心截面積A的比值（mm-1）。

圖9. μ＝r(H)曲線

四、磁路和電感計算

圖10. 環形電感

1、電感計算公式：

此公式為磁芯電感最常用的計算公式，反映了感值L與電感繞組和磁芯參數間的關系。

2、斯坦梅茨公式：

斯坦梅茨公式表征磁材料在磁化和退磁過程中的損耗，該損耗以熱的方式釋放出來。在大功率變壓器、吸收濾波器設計中，該公式起著重要作用，其中、、均為系數，可參考表1中部分磁芯材料的數據。f為頻率，?為最大磁通密度。

多數中小廠家沒有專業的設備，也就無法給出斯坦梅茨公式中的幾個系數。生產廠家中一般會給出磁芯材料的損耗結果。比如下面是某廠商的鐵粉芯磁芯參數：

圖11. 商家給出的磁芯參數

可以看出，商家給出了磁芯的基本信息和損耗特性。該型號磁芯在500KHz頻率下磁芯損耗達到峰值。初步計算可以吸收的峰值功率在5.78W，這是個非?？捎^的數據。在GJB151A/B中，CE102在500KHz頻率下對應的幅值約為80dBμA（10mA），對于一個AC220V供電系統，按照EMI最壞情況考量，假設噪聲電壓幅值為220V（實際要小于該值），其噪聲功率超過2.2W傳導便會超標，串入該磁環繞制的電感后（假設電感工作在接近飽和磁通附近），可將幅值為110 dBμA（36.27mA）的噪聲降低到限制線以下，帶來30dB的衰減。查看標準可以發現，110 dBμA的噪聲幅值已經超出了標準中縱軸的上限范圍！因此可以肯定的講，只要初測傳導噪聲不會高出標準中縱軸上限范圍，被測設備都可以在加該磁芯材料的電感后通過傳導測試。對濾波器的設計來講，此措施無疑是最簡單最直接的方法。同樣該方法的弊端也很明顯，為了達到最大磁芯損耗，繞組必須足夠的多，這樣一來電感的尺寸將不得不增加。所以一般應用下該類電感所帶來的插損會小于磁芯規格書中給出的數據。