先進鐵氧體材料和特殊幾何形狀助 力提升電源性能和效率

鐵氧體在設(shè)計電源裝置時，除了小型化之外，提升效率是最重要的研發(fā)目標，哪怕 0.1%的效率提升都意義非凡。除了功率半導(dǎo)體元件之外，鐵氧體磁芯是提升效率的決定性因素。TDK集團針對磁芯的設(shè)計專門開發(fā)了全新的鐵氧體材料 并優(yōu)化了其幾何形狀。

所有類型的電源都需要使用鐵氧體，在廣泛的磁芯設(shè)計中，鐵氧體是電感器的基礎(chǔ)元件，這些電感器是電力傳輸和電流 隔離應(yīng)用中能量存儲裝置及變壓器的核心部件。盡管目前電源效率已經(jīng)超過了98%，但研發(fā)人員依然努力提升每個0.1%，特別是在大功率應(yīng)用中，他們希望在進一步提升效率的同時，實現(xiàn)零部件的小型化，從而節(jié)約空間和減輕重量。

GaN和SiC等全新的寬禁帶半導(dǎo)體材料的出現(xiàn)推動了該領(lǐng)域的發(fā)展，因為它們可以實現(xiàn)更高的開關(guān)頻率、更快的轉(zhuǎn)換速度 和更低的損失。從原理上來說，這意味著可使用顯著縮小的電感器和變壓器，或者采用相同尺寸的部件可處理更高的額 定功率。不利之處在于現(xiàn)有的傳統(tǒng)電源鐵氧體材料不能用于MHz的頻率范圍，相比于低頻狀態(tài)，在如此高頻狀況下它們 會產(chǎn)生極大的損耗。

全新PC200材料在高達4 MHz的頻率下仍可實現(xiàn)高效率 為了利用全新半導(dǎo)體材料的優(yōu)勢，TDK集團開發(fā)了基于MnZn的全新PC200鐵氧體材料，其適用頻率范圍為0.7 MHz至4MHz。在開關(guān)頻率為1.8 MHz至2 MHz之間以及100℃的使用溫度下可達到最大傳輸功率。PC200鐵氧體材料的居里點超過250℃，特別適用于環(huán)形或平面磁芯拓撲結(jié)構(gòu)的變壓器。圖1顯示了PC200與傳統(tǒng)材料的性能對比。

圖1： 全新的PC200 MnZn鐵氧體材料在大約2 MHz的頻率下提供了最佳的性能，因此理想適用于基于GaN和 SIC等新型寬禁帶半導(dǎo)體材料的電源拓撲結(jié)構(gòu)。

分布式氣隙將減少了70%損耗

在鐵氧體磁芯中采用單氣隙是目前延遲磁芯飽和并提升性能的常用技術(shù)。然而，這種相當大的單氣隙會導(dǎo)致更高的邊緣 磁通效應(yīng)，導(dǎo)致額外的銅損，特別是在高頻狀況下。通過分布式氣隙的全新幾何形狀和磁芯制造技術(shù)，TDK集團成為首個可提供減少電磁輻射及發(fā)熱狀況的簡潔解決方案的鐵氧體磁芯制造商（圖2）。通過在中間位置布置多個氣隙，分布的 氣隙有效地防止了磁場向環(huán)境中輻射。

圖2： 由于采用了相同的分布的氣隙（右圖），相比于只采用了單氣隙的傳統(tǒng)解決方案（左圖），功率損失（紅色區(qū)域）顯著減少。在高頻應(yīng)用中，采用三個相同氣隙的解決方案可提供最佳的性價比。

多種不同規(guī)格的磁芯均可提供E、EQ、ER、ETD、PM和PQ型三分布的氣隙磁芯設(shè)計，并可采用所有愛普科斯（EPCOS） 電源材料。

三氣隙解決方案（圖3）為開關(guān)頻率比普通頻率高2至3倍以上的應(yīng)用提供了最佳的性價比。它最多可將功率損耗降低

70%。除了標準解決方案之外，TDK集團還可提供客戶指定數(shù)量的多氣隙解決方案。

圖3： 采用三氣隙的PM型磁芯。第三個氣隙由配合部件形成。規(guī)格為50至114的磁芯均可提供此版本。

受益于全新PC200鐵氧體材料和先進的磁芯幾何形狀，現(xiàn)在我們能最大限度地利用全新半導(dǎo)體技術(shù)的優(yōu)勢，同時滿足客戶對更高效率和小型化的需求。