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(kāi)關(guān)電源方案的設計中經(jīng)常碰到的疑問(wèn)。在高功率電感的磁芯選擇問(wèn)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(wèn)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(xiàn)的安全區進(jìn)行設計。鐵硅鋁 (Kool Mµ)被設計在受控制的下降曲線(xiàn)范圍中，這樣就能夠提供好的容錯特性，特別是在高功率時(shí)候。
在磁通量比較方面，假設特定的50％下降設計點(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％，設計時(shí)可以把磁芯的尺寸縮小30%至35%。
軟飽和曲線(xiàn)使鐵硅鋁 (Kool Mµ)設計本身具有容錯能力，而間隙鐵氧體則沒(méi)有。
鐵氧體磁能力隨溫度變化，而鐵硅鋁 (Kool Mµ)保持相對穩定。很多鐵氧體供應商或者廠(chǎng)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)及結構和間隙鐵氧體不同，隨著(zhù)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(zhù)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，因為這個(gè)形式，在高功率的應用上會(huì )更好。
對于尺寸和儲能，從鐵硅鋁(Kool Mµ)與錳鋅鐵氧體在LI2值比較中可以看出，當尺寸都是55mm的大小，測試鐵硅鋁用60µ，鐵硅鋁(Kool Mµ)在體積大小的情況下，儲能大概是錳鋅鐵氧體的2倍多，如表1所示。
而當儲能是一樣的時(shí)候，LI2值一樣，鐵硅鋁(Kool Mµ)體積縮小了很多，對于設計者來(lái)說(shuō)，這有效縮小了設計尺寸。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計時(shí)更為適合。
間隙鐵氧體電感系數的公差值較低，如果工藝好的話(huà)，多數的鐵氧體電感系數的公差值為 ±3，而鐵硅鋁 (Kool Mµ) 為 ± 12% 。
間隙鐵氧體有較多種類(lèi)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(kāi)關(guān)穩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(wèn)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(méi)有使用有機粘結劑，因此，沒(méi)有任何熱老化的問(wèn)題。所有鐵硅鋁(Kool Mµ)磁芯都能在200 ℃下連續操作，相對的，鐵粉芯有磁致伸縮。
鐵硅鋁與硅鐵
大型電感器中也會(huì )使用特級的硅鐵疊片，通常是塊狀或條狀。硅鐵的優(yōu)勢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(guò)適當的構造應用于大型電感器。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(zhù)電流增加，飽和出現要快的多。鐵硅鋁(Kool Mµ) 可利用飽和曲線(xiàn)的優(yōu)點(diǎn)，設計出較小的電感器。
硅鋼裝配件中所用的環(huán)氧樹(shù)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)和應用
鐵硅鋁(Kool Mµ)是什么呢？簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，它是由鋁-硅-鐵組成，它擁有相當高的Bmax(1050mT)，它的磁芯損耗遠低于鐵粉芯及高磁通，有低磁致伸縮（低噪音），是低成本的儲能材料，無(wú)熱老化，可以用于替代鐵粉芯，在高溫下性能非常穩定。
總結一下鐵硅鋁的特點(diǎn)：適當的成本，優(yōu)于鉬坡莫合金/高磁通以及復合合金；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(wú)熱老化現象，優(yōu)于鐵粉芯；軟飽和，優(yōu)于間隙鐵氧體及復合合金。
鐵硅鋁(Kool Mµ)有六種磁導率（26μ、40µ、60µ、75µ、90µ和125µ）和三種形狀 Toroids、 E core、 U core & Blocks。
鐵硅鋁應用包括功率因數校正扼流圈，升壓/降壓穩壓器，直流輸出電感器和回掃變壓器。
大型鐵硅鋁 Kool Mµ®應用在高電流 (功率)電感器、太陽(yáng)能轉換、UPS 不斷電系統、混合動(dòng)力汽車(chē)、風(fēng)能轉換和其他高電流應用。
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，有傳統的方型和圓形。如圖3所示。
圖3 方型和圓形的鐵硅鋁
相對方型的，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，在相同的匝數下減少繞線(xiàn)線(xiàn)長(cháng)的使用，最小化的DCR (直流電阻），降低銅損，降低使用銅導線(xiàn)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)有應用于高電流的設計、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定性、具存儲能量的高性能、可直接安裝在PCB上。鐵硅鋁Kool Mμ( 平板形) 的應用有在DC / DC轉換器、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(zhù)重注意四個(gè)問(wèn)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��；第三，選擇時(shí)要注意繞制上的考量，比如電流密度、繞線(xiàn)的長(cháng)短和匝數；第四點(diǎn)，選擇時(shí)要兼顧性能和成本。
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問(wèn)答選編
問(wèn)：鐵硅鋁磁芯適用的頻率范圍為多少？
答：鐵硅鋁磁芯的應用頻率可以高達20MHz的頻率，但通常人們會(huì )使用約100kHz至500kHz的頻率在他們的設計中。
問(wèn)：鐵硅鋁的形狀是否可以按照客戶(hù)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(wèn)：鐵硅鋁在噪聲抑制方面有什么優(yōu)越性嗎？
答：相對于鐵粉芯，鐵硅鋁減少了高頻應用時(shí)的噪聲，擁有很低的磁致伸縮。
問(wèn)：鐵硅鋁的最大工作和儲存溫度為多少？
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500℃的溫度。
問(wèn)：現在有哪些比較好的針對電感性能測試的工具或者手段？
答：LCR儀表（HP4284）可以為您提供非常精確的電感測量。磁芯損耗儀表（Yokogawa）可以提供很準確的核心損耗測量。
問(wèn)：從目前來(lái)看哪類(lèi)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，對于低功率應用，鐵氧體磁芯會(huì )比較適合，而在高功率應用上，鐵粉磁芯和非晶磁芯將會(huì )比較適合。
問(wèn)：除了在材料選擇，還應該在哪些方面進(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(wèn)：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(wèn)：同等功率的變壓器設計中，鐵硅鋁與鐵氧體相比，成本和體積上有何優(yōu)勢？
答：成本由材料決定，鐵硅鋁相對于氣隙鐵氧體大小可以減少約30％~35％。
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