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热老化

铁粉芯由于热老化引起磁芯损耗增加

以下讨论和举例说明热老化现象，以及影响和改变磁芯损耗的各种条件。无论哪家铁粉芯制造商，都希望永远降低磁芯损耗，从而在相等温度下延长使用寿命。作为设计工程师来说，理解在何种老化条件下会出现什么后果非常重要，在日常设计过程中应该结合这方面的知识。

热老化引起磁芯损耗不可逆增加，导致温度按延长线方向上升。这些在绕线磁芯上产生的后果和变化范围是下列因数的函数：时间，气温，气流，磁芯外形尺寸，动作频率，AC磁通密度峰值，材料类型以及生产制造商。在高频条件下，涡流损耗是主要损耗，而低频下磁滞损耗则是主要损耗，各种损耗形式在总损耗中所占的比例也会受到磁通密度的影响，受到高温热老化影响的是磁芯损耗中的涡流部分。

第一个实例说明的是在磁芯损耗占主要损耗并采用小型磁芯时的情形。此时即使采用强力风冷措施也无法保证大量磁芯损耗的完全散热。

第一个实例为80KHz下降压电感器的运作情况。参数如下：

L = 11.5 µH
Idc = 18 A
E pk = 45 V
E dc = 12.3 V

最大环境温度为60℃，带变速电机驱动的风冷装置。当功率水平较低时，风量亦可相应降低。

磁芯选用的是T106-52，缠绕14匝AWG-14，使得铜损耗为1.72W。80KHz下交流磁通密度峰值为670G，所产生的磁芯损耗为4.9W。在自然通风条件下温升约83℃，计算所得的磁芯综合损耗为6.62W。由于这种部件的额定最大环境温度为60℃，因此电感器在没有强制风冷的不利情况下很容易达到140℃。值得注意的是，本公司生产的磁芯的损耗误差为±15%。这样，在磁芯损耗最严重的情况下，4.9W的额定损耗按5.64W计，总损耗为7.36W，在自然通风条件下温升约95℃，这样的温度水平对于那些在涡流损耗占总损耗主要之情况下运作的磁芯而言就太高了。T106形磁芯在40℃温升情况下总共可以安全散热2.59W。

注意，如果使用变速风机进行风冷时，应设计“磁芯损耗占主体”的报警指示。铜耗在低功率下会降低，但磁芯损耗则一般不会这样。对于以磁芯损耗为主要损耗的设计形，不应使用变速风机。以铜损耗为主要损耗的设计，较之以磁芯损耗为主要损耗的设计要容易散热。铜线可以散热，而对于磁芯材料，隔热性对散热的制约因素必须加以克服。此外，电感器内部以及风冷“死角”处的温度一般要高几度。

图1

图1中的上部曲线显示，由于运行温度过高，计算磁芯损耗会迅速上升。很明显，这种设计的表面面积太小，即使在风冷条件下也不足以安全散热。第64页至65页说明了Micrometals公司几种磁芯的“总散热功率(W)与温升的对应关系”。设计人员借助该表可以很容易地断定设计方案是否能满足低于40℃温升的要求。

图1中的中部曲线显示，Micrometals生产的最小的磁芯能够满足温升小于40℃以及其他设计要求。这种磁芯为T130-8/90缠绕19匝AWG-10，铜耗约为1.0W。在80KHz下交流磁通密度的峰值降至465G，磁芯损耗降至2.5W。从该图看出，这种设计形可以保证磁芯在总温度100℃下，仍可安全运行100,000小时。

图1中的下部曲线显示T106-52形磁芯在与第一种设计型类似的条件下的情况，所不同的是此时直流输出电压为5V，而非12.3V。当AWG-12线材绕14匝时，交流磁通密度的峰值已降低到305G，磁芯损耗降低到1.0W。温升约33℃时磁芯和铜材综合损耗为2.04W。这种设计型可以保证总温度100℃下可安全运行100,000小时以上。

下一设计实例为使用大尺寸磁芯在两种不同频率和两种不同交流磁通峰值条件下的不同情形。

第一种设计型为Micrometals的T300-26D磁芯在60Hz和10KG磁通密度峰值条件下的情况。计算磁芯损耗为7.35W，估计铜损耗为7.35W，这样，综合损耗为14.7W，产生的温升为33℃，图2的下部曲线预示，即使在125℃温度条件下运行100，000小时，磁芯损耗也不会发生变化。在此频率下，几乎所有的损耗都来自磁滞损耗，而此种损耗一般不受温度影响。

图2的上部曲线显示一种设计型在40KHz和283G的交流磁通密度峰值条件下磁芯损耗将迅速上升的情形，当总磁芯损耗与60Hz实例一样为7.35W时，在连续受热125℃条件下涡流将成为主要损耗形式，并不断增高。设计损耗为7.35W，在零时刻此种设计型的综合损耗为14.7W，产生的温升为33℃，经过20，000小时后，磁芯损耗增至9.5W，温升达37℃。在125℃温度下运行100,000小时后，磁芯损耗长至12.5W，温升达42℃。这种设计型虽然还不是极端的例子，但也说明了电感器温升随时间和温度变化而增加的函数关系。

图2

铁粉磁芯的另外一个常规应用是用于功率因数校正升压扼流圈。这里计算磁芯损耗可能是最需要的功能，它的磁芯损耗的计算更加复杂且常被误解，使得容易做出有信赖性问题的不良设计。有关PFC升压扼流圈正确的磁芯损耗分析详细探讨，可以参考产品目录的58页内容。当然，最新版的微金属设计软件已经含有PFC磁芯损耗功能。

#1 #2 #3

品名
E168-52 E168-52 E168-2

电感系数 (nH/N²)
179 179 44

圈数
45 90 76

线径#
14 17 16

Bpk @ 100 kHz (G)
389 195 230

磁心损耗 (mW/cm³)
489.0 120.0 61.5

磁心体积 (cm³)
18.5 18.5 18.5

铁损 (mW)
9,063 2,220 1,137

铜损 (mW)
866 3,480 2,324

全部损耗 (mW)
9,929 5,700 3,461

线圈表面积(cm²)
66.7 66.7 66.7

最大尺寸 (in)
1.7 x 1.7 1.7 x 1.7 1.7 x 1.7

温升 (C°)
65 41 27

磁心大概价格 (每个)
$0.23 $0.23 $0.55

热老化寿命 (Hours)
<12,000 ~1,000,000 >10,000,000

表1

第三个实例为100KHz 的PFC升压扼流圈的设计。参数如下：

Lmin = 250 µH
Idc = 7 A
Epk In = 120V
Edc Out = 400V

查阅表一，你可以看到设计方案#1主要损耗是磁芯损耗9.06W，铜损只有0.87W。这种设计下的温升是65摄氏度。图三说明在环境温度55摄氏度条件下，这个电感会在两年内温度失控。

设计方案#2 证明用和设计方案#1同样的磁芯，只是简单增加所需匝数，用更小线径的线材，就可以使铜损和铁损（磁芯损耗）更加平衡，使效率得以提高（少了4.3W）,动作温度更低（△T=41℃）,热寿命戏剧性般延长接近两个数量级。这时我们可以明显看到设计方案#1是个不良设计，这也是大家经常犯的错误。

如果回路不能接受在设计方案#2中的由于匝数增加导致较大的电感值，也可以通过选用低磁导率的磁芯来更好平衡铁损和铜损。设计方案#3举例说明如何利用微金属的10µ材（材料-2）来完成，这个扼流圈将会是最有效和最可靠的，不过这种材料较材料-52更贵一些。

图 3

另外一个重要的热老化因素是铁粉磁芯的来源，换句话说，要谨防“等同”的磁芯。正如上面已经论证过那样，材料不同热寿命也不同，要差别几个等级。这道理同样适用于不同制造商的磁芯材料。大多数市面上讲的“等同”的磁芯，仅仅是外形尺寸和磁导率特性接近。

图四举例说明微金属的T90-26和竞争对手所谓“等同”磁芯，用相同匝数在75KHz和633G条件下测试他们的热老化特性。微金属的磁芯将会安全运行300,000小时，而竞争对手的磁芯在不到30,000小时就已经失控。很明显，两者热老化寿命不在一个等级上。

图 4

微金属的磁芯和竞争对手的磁芯还有一点不太明显的差别在初始磁芯动作温度。对手的磁芯的初始磁芯动作温度比较高，所以磁芯损耗（铁损）也比较高。用另外例子，即使微金属将环境温度提高到60摄氏度，把初始磁芯动作温度调到和竞争对手的一样高，我们可再次预知他们之间的明显不同。

像上面举证的例子，先评价一家供应商的磁芯，然后用另外一家的替代可能会犯极端危险错误。同时，规范供应链也十分重要，要监控下级供应商不要使用任何“等同的”磁芯生产产品。