通过选择合适的磁芯材料来提高功率密度

几十年前，麻省理工学院 （MIT） 有点沉睡的弗朗西斯·比特国家磁铁实验室 （Francis Bitter National Magnet Lab） 的入口处装饰着 1953 年美国科幻电影《磁性怪物》（The Magnetic Monster） 的电影海报。从那时起，磁性学科学飞速发展，超越了电影制作人梦寐以求的一切，其重大突破改变了电子领域的格局。

当今的磁性材料（许多针对高频应用进行了优化）在电力电子、射频系统和信号调节中至关重要，并且在最苛刻的应用中是必不可少的。它们的特性会影响磁芯损耗、效率、热性能，并最终影响功率密度。

以下是常用高频磁性材料的概述、它们的优缺点，以及它们如何帮助实现高功率密度。

高频磁性材料的主要四大类是什么？

1. 铁氧体（特别是 MnZn 和 NiZn 类型，它们分别是天然存在的雅各布石和海参石）提供 ~10 kHz 至 100 MHz 的频率范围。这种材料通常用于变压器、电感器和 EMI 滤波器。它们具有高电阻率和低涡流损耗，在高频下具有良好的性能，此外，它们具有成本效益且广泛使用。

它们可以在开关模式电源 （SMPS） 中实现紧凑型变压器设计，支持高开关频率，并减小无源元件尺寸。
另一方面，铁氧体的饱和磁通量密度有限 （~0.3-0.5 T）。从物理上讲，它们往往很脆且像陶瓷一样，不太适合高功率、大电流应用。

2. 非晶态金属（例如梅特格拉斯）是固体金属材料，通常是合金，具有无序的玻璃状结构。然而，尽管它们“像玻璃”，但它们是良好的电导体。它们通常用于频率范围高达 500 kHz 的高效电力变压器和电感器。它们具有高磁导率和低矫顽力，在中高频下具有非常低的磁芯损耗，并且比铁氧体具有更高的饱和磁通量 （~1.5 T）。
不利的一面是，它们易碎且难以加工，比铁氧体更昂贵，并且在非常高频的应用中的作用非常有限。它们表现出的较低损耗允许更小的磁芯并减少散热，使其适用于可再生能源和 EV 系统中紧凑、高效的转换器。

3. 纳米晶合金（例如 Finemet、Vitroperm）是微晶尺寸仅为几纳米的材料，粗略地说，它们介于无序非晶材料和传统的粗晶材料之间。它们的常见用途包括高频变压器、栅极驱动变压器和电磁兼容性 （EMC） 元件，频率范围从 ~20 kHz 到几兆赫兹。

纳米晶合金的特点是在高频下极低的磁芯损耗、高饱和磁通量 （~1.2 T） 和出色的热稳定性.这些合金的缺点是它们往往价格昂贵、可用性可能有限且机械易碎。