金属磁粉芯材料的应用张卫东北京七星飞行电子有限公司(国营第七九八厂)所属专业：磁学目录一．金属磁粉芯材料的发展及市场概况 (4)二．金属磁粉芯在磁性材料家族中的位置 (4)三．金属磁粉芯的制造工艺 (5)四．金属磁粉芯和铁氧体的比较 (5)五．金属磁粉芯的主要指标及主要应用方向 (5)六．金属磁粉芯的应用设计 (6)七．金属磁粉芯的应用设计实例 (9)结论和建议 (11)参考文献 (11)摘要本文扼要介绍了金属磁粉芯软磁材料的分类、制造工艺及材料特点，重点论述了材料的应用方向，从专业角度介绍了实用应用设计方法。

关键词金属磁粉芯铁粉芯高磁通铁镍钼铁硅铝开关电源输出扼流圈有源PFC电感半窗原则铜损铁损温升绪论金属磁粉芯作为软磁材料系列重要的组成部分具有独特的性能，可以广泛应用在各类逆变电路中。

在国内，由于多数电源工程师对于金属磁粉芯的认识远不及应用广泛的铁氧体材料，金属磁粉芯的应用受到了很大的影响。

本文旨在通过介绍金属磁粉芯的特性及应用，使更多的电源工程师对这种材料有更深入的了解，从而在设计中进行更理想的选择和应用。

一．金属磁粉芯材料的发展及市场概况金属磁粉芯是采用粉末冶金工艺制造的一种软磁材料，其特殊的磁性能使得其在许多应用场合具有其它材料难以比拟的优势，至今这种材料已经成为软磁材料的重要组成部分。

金属磁粉芯生产历史悠久，但真正形成产业化是从二十世纪八十年代开始，随着逆变技术的快速发展和广泛应用，伴随着EMC的需求，金属磁粉芯得到了广泛的应用；进入二十一世纪，随着逆变电路的高频、高功率密度化和EMC的更高要求，加上人们对金属磁粉芯材料的认识的进一步加深，金属磁粉芯的产业化发展速度超过了其它任何软磁材料。

初步统计，目前金属磁粉芯在全球年销售额大约为1.8亿美元，占软磁材料的3%左右，其中高磁通、铁硅铝、铁镍钼在1亿美元左右。

预计高磁通、铁硅铝、铁镍钼市场在未来几年将会以每年40%以上的速度增长，远大于铁氧体、铁粉芯等软磁材料的增长速度。

目前，全球范围内专业生产金属磁粉芯的企业为数不多，主要有以下几家：美国MAGNETICS：主要生产高磁通、铁硅铝、铁镍钼，不生产铁粉芯，产量及技术水平处世界领先。

韩国CSC：产品和MAGNETICS雷同。

美国ARNOLD：产品和MAGNETICS雷同。

韩国DONGBU：产品和MAGNETICS雷同，产品技术水平较低。

中国北京七星飞行电子有限公司：生产高磁通、铁硅铝、铁镍钼、铁粉芯，品种类别齐全，部分材料处于世界领先水平。

产品占据国内大多数市场。

英国MMG：专业生产铁硅合金粉芯。

美国MICROMETALS：专业生产铁粉芯。

此外，国内有几家专业生产铁粉芯的企业，主要集中在珠江三角洲地区，多为台资企业；国内也有极少数企业生产高磁通、铁硅铝、铁镍钼，但技术水平很低，规模很小。

国外在日本和俄罗斯也有企业生产高磁通、铁硅铝、铁镍钼，但规模很小，在市场上很难看到产品及相关资料。

值得一提的是，俄罗斯生产的铁镍钼产品技术水平很高，综合指标超过MAGNETICS水平，但仅在国内作专用配套。

二．金属磁粉芯在磁性材料家族中的位置三．金属磁粉芯的制造工艺金属磁粉芯是一种用传统的粉末冶金工艺制造的软磁材料，工艺过程大致如下：金属磁粉芯主要成分： 材料铁粉芯 高磁通 铁镍钼 铁硅铝 主要成分 100%Fe 50%Fe,50%Ni 80%Ni,17%Fe,3%Mo 85%Fe,6%Al,9%Si 诚然，市场需求量远小于铁氧体、投资额比较大是金属磁粉芯生产厂家稀少的重要原因，但我们认为核心的缘由是金属磁粉芯的技术难度大，工艺门槛高。

四．金属磁粉芯和铁氧体的比较铁氧体作为一种万能材料几乎可以制作任何感性器件，目前国内多数专业电源设计人员对于铁氧体都比较熟悉，但对于金属磁粉芯相对比较陌生。

严格意义上说，金属磁粉芯只能制作电感类器件，下面列出了金属磁粉芯和铁氧体制作的电感（下称前者和后者）的区别：1） 由于金属磁粉芯Bs 较高，前者可以在同等体积下实现更高电感，或言前者功率密度高，同时偏磁曲线具有准线性的特征使得磁芯不容易进入饱和状态。

2） 由于金属磁粉芯的均匀分布气隙的特点，前者可以避免后者由于气隙造成的局域损耗。

3） 由于金属磁粉芯比铁氧体对于环境变化（指温度变化和机械冲击）反应迟钝，这是由于金属材料和陶瓷材料本身的特性决定，因此前者的可靠性要优于后者，这也是军工领域普遍采用金属磁粉芯的主要缘由。

前者工作温度范围比后者宽，有些金属磁粉芯材料本身可以工作在300℃。

4） 前者设计方法相对简单，特别是在设计功率扼流圈时几乎不必测试动态指标进行设计验证，而铁氧体由于材料稳定性差，需要在设计上针对不同情况进行不同的设计而且需要动态测试验证。

近一两年，随着国内工程师们对金属磁粉芯的认识的加深，学习国外整机设计中采用金属磁粉芯的成功经验，特别是随着行业内对EMI 的重视和新的相关EMC 标准要求，以及在许多运用逆变电路（如开关电源、变频器等）的整机中有源PFC 电路所采用的由金属磁粉芯制造的PFC 扼流圈给工程师带来的意外收获，等等，进一步推动了金属磁粉芯的产业发展速度。

五．金属磁粉芯的主要指标及主要应用方向为方便，下表中所列举的材料系北京七星飞行电子有限公司的牌号（铁镍钼称Y 类，高磁通称H 类，铁硅铝称A 类，铁粉芯称P 类，羰基铁称T 类），后文将以此类称。

其它公司的相应型号请查阅相关对照表。

另外说明如下：1）μ严格讲指初始磁导率。

由于金属磁粉芯μ绝对值很小，一般Bm 不是很大（100Gs 以内）时，初始磁导率和振幅磁导率差异很小，所以多数专业人员简称磁导率。

2）功耗因子指工作频率f/磁通密度峰值Bpk 在50kHz/1000Gs 下的标称值相对比较，仅作为参考。

不同工作条件下以及不同μ值其功耗因子会有偏差。

3） 价格因子是指目前市场平均价格。

金属磁粉芯主要材料特性比较 材料μ Bs T 功耗 因子 比重g/cm 3价格 因子 主要特点 1P 75 1.0 5 7.2 1 价格低廉，损耗最大 3P 75 1.1 4 7.2 2 比1P 损耗小，偏磁性较好 4P 33 1.1 4 7.0 2 性能和3P 相当但μ小铁粉芯T 9 1.0 3 6.0 10 100kHz-10M 涡流损耗小 高磁通H 60/125 1.5 1 7.6 15 偏磁性好，损耗较小 铁镍钼Y 60-300 0.8 0.5 7.6 20 损耗最小，温度稳定性最好，μ范围宽 铁硅铝 A 60/125 1.1 0.8 5.8 10 性价比最好，偏磁性较好，损耗小铁硅合金 32 1.5 2.5 7.6 不详偏磁性最好 下面对每种材料的特点及应用作更细致的说明：1） 铁粉芯（1P ）：是制造差模滤波器和无源PFC 电感最廉价实用的材料。

2） 铁粉芯（3P 、4P ）：是制造功率扼流圈廉价实用的材料，但一般情况下应用于对空间要求不高的场合。

如多数中低频（一般小于50kHz ）UPS 电源中大多采用4P 材料作为输出扼流圈。

特别提醒应用频率不应超过100kHz 。

很多情况下采用3P 材料制造差模滤波器或无源PFC 电感是基于应用噪声问题。

这里特别指出的是铁粉芯材料有两方面的缺点值得设计者关注，相关细节可以参考厂家的专业说明。

一是铁粉芯材料由于磁致伸缩的原因，有时不可避免会造成噪声，一般1P 材料最甚，3P 、4P 材料次之（不同品牌的铁粉芯材料磁致伸缩因子差异比较大），而其它类型的金属磁粉芯材料磁致伸缩因子几乎为零，不存在应用噪声问题。

二是铁粉芯材料本身有热衰退问题，即长期在高温下（一般指100℃以上）使用会造成损耗永久增大，影响铁粉芯材料使用寿命。

3） 羰基铁T ：由于采用超细铁粉制作，这种材料具有相对较小的涡流损耗，特别适宜于应用在频率100kHz-100MHz 范围（大家知道，磁性材料在小信号下主要表现为涡流损耗，较大信号即功率应用情况下超过100kHz 时涡流损耗占主导地位），是制造高频功率扼流圈（特别是高频谐振电感）、RF 调谐电感芯体理想的材料。

4） 高磁通H ：制造功率扼流圈可以实现体积最小化（即最大功率密度）。

在军工领域，考虑到体积最小化和性能最优化，更多选用H125材料制造差模滤波器和无源PFC 电感。

5） 铁镍钼Y：制造功率扼流圈可以实现损耗最小化，此外由于μ选择范围宽，在某些特定场合（如高压小电流输出扼流圈）更具实用性。

Y 材料温度系数最小是军工领域应用最为普遍的重要原因。

6） 铁硅铝A ：尽管偏磁性比H 材料略差，损耗比Y 材料略差，但由于价格低廉使得A 材料成为制造功率扼流圈性价比最高的材料。

在民品市场，A 材料几乎占据了金属磁粉芯扼流圈80%以上的市场份额。

六．金属磁粉芯的应用设计由于金属磁粉芯工艺特点及目前应用状况，金属磁粉芯产品大多为环形。

随着应用频率的提高及追求更小体积化，一些其它形状的产品如EE 形、扁平罐形等应用而生。

下文主要论述环形磁芯的应用设计，其它形状的应用设计与此雷同。

1．差模滤波器差模滤波器的设计比较简单，多数设计人员都知道用金属磁粉芯制造差模滤波器需要单层绕线但不知其故，其实原因很简单，单层绕线一般可以实现高频全频带范围内阻抗最大化。

特殊情况下，如希望滤除更多低/高频干扰需要采用多层绕线/间绕。

关于选择磁芯大小的问题，这里解释一下。

选择越大尺寸的磁芯，滤波效果越好，亦即高频阻抗会越大。

进一步深入进行专业设计，就需要确定一定频率干扰的衰减(dB)要求，计算出负载的阻抗，分析和测试滤波器在该频率下的阻抗，进行比较计算就能够估算出适当尺寸。

需要特别提醒的是，设计人员必须考虑差模滤波器有一定的偏流成分（AC输入时要考虑峰值电流的情况），按照偏流下的动态电感推出滤波器工作时的真正阻抗进行设计。

2．无源PFC电感通常应用频率（指逆变频率）不高（一般指低于50kHz）的情况下，采用有气隙的硅钢是制造无源PFC电感的较佳选择，但采用金属磁粉芯特别在较高频率下不失为实用的选择。

用金属磁粉芯制造无源PFC电感要注意以下两个方面：①绕线尽量多占窗口（特殊规格的磁芯要考虑饱和问题），至少要实现半窗原则（后文有解释）；②选择适当品牌和材料实现应用噪声最小化。

3．功率扼流圈运用金属磁粉芯制作功率扼流圈广泛应用在BUKE（如全桥、半桥、推挽开关电源输出扼流圈）、BOOST（如有源PFC电感）、CUKE、BUKE-BOOST（如单端反激变压器）等拓扑模式的电路中，也是功率谐振电感（移相补偿电感）的较佳选择。

应用中最为常见的是开关电源输出扼流圈（BUKE）及有源PFC电感（BOOST）的设计，下面会详细论述其设计方法，其它扼流圈的设计方法与此相似。

首先设计人员必须了解以下几点：1）最好选用生产厂家的标准尺寸产品。