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TDK EPCOS

铁氧体

2018年2月22日

先进铁氧体材料和特殊几何形状助力提升电源性能和效率

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在设计电源装置时,除了小型化之外,提升效率是最重要的研发目标,哪怕0.1%的效率提升都意义非凡。除了功率半导体元件之外,铁氧体磁芯是提升效率的决定性因素。TDK集团针对磁芯的设计专门开发了全新的铁氧体材料并优化了其几何形状。

所有类型的电源都需要使用铁氧体,在广泛的磁芯设计中,铁氧体是电感器的基础元件,这些电感器是电力传输和电流隔离应用中能量存储装置及变压器的核心部件。尽管目前电源效率已经超过了98%,但研发人员依然努力提升每个0.1%,特别是在大功率应用中,他们希望在进一步提升效率的同时,实现零部件的小型化,从而节约空间和减轻重量。

GaN和SiC等全新的宽禁带半导体材料的出现推动了该领域的发展,因为它们可以实现更高的开关频率、更快的转换速度和更低的损失。从原理上来说,这意味着可使用显著缩小的电感器和变压器,或者采用相同尺寸的部件可处理更高的额定功率。不利之处在于现有的传统电源铁氧体材料不能用于MHz的频率范围,相比于低频状态,在如此高频状况下它们会产生极大的损耗。

全新PC200材料在高达4 MHz的频率下仍可实现高效率

为了利用全新半导体材料的优势,TDK集团开发了基于MnZn的全新PC200铁氧体材料,其适用频率范围为0.7 MHz至4 MHz。在开关频率为1.8 MHz至2 MHz之间以及100℃的使用温度下可达到最大传输功率。PC200铁氧体材料的居里点超过250℃,特别适用于环形或平面磁芯拓扑结构的变压器。图1显示了PC200与传统材料的性能对比。

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图 1:

全新的PC200 MnZn铁氧体材料在大约2 MHz的频率下提供了最佳的性能,因此理想适用于基于GaN和SIC等新型宽禁带半导体材料的电源拓扑结构。

分布式气隙将减少了70%损耗

在铁氧体磁芯中采用单气隙是目前延迟磁芯饱和并提升性能的常用技术。然而,这种相当大的单气隙会导致更高的边缘磁通效应,导致额外的铜损,特别是在高频状况下。通过分布式气隙的全新几何形状和磁芯制造技术,TDK集团成为首个可提供减少电磁辐射及发热状况的简洁解决方案的铁氧体磁芯制造商(图2)。通过在中间位置布置多个气隙,分布的气隙有效地防止了磁场向环境中辐射。

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图 2:

由于采用了相同的分布的气隙(右图),相比于只采用了单气隙的传统解决方案(左图),功率损失(红色区域)显著减少。在高频应用中,采用三个相同气隙的解决方案可提供最佳的性价比。

多种不同规格的磁芯均可提供E、EQ、ER、ETD、PM和PQ型三分布的气隙磁芯设计,并可采用所有爱普科斯 (EPCOS) 电源材料。

三气隙解决方案(图3)为开关频率比普通频率高2至3倍以上的应用提供了最佳的性价比。它最多可将功率损耗降低70%。除了标准解决方案之外,TDK集团还可提供客户指定数量的多气隙解决方案。

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图 3:

采用三气隙的PM型磁芯。第三个气隙由配合部件形成。规格为50至114的磁芯均可提供此版本。

受益于全新PC200铁氧体材料和先进的磁芯几何形状,现在我们能最大限度地利用全新半导体技术的优势,同时满足客户对更高效率和小型化的需求。