产品概要高频用低损失铁氧体材料PC200

高频用低损失铁氧体材料PC200
随着能够高频驱动的半导体“GaN”的普及,开关电源的高频化也逐渐变成了现实。变压器产品中使用铁氧体材料,但根据驱动频率的不同,磁芯损耗(铁耗)会有很大的变化,这是变压器设计的关键。本文将介绍为GaN开发的PC200材料的特点及使用时的要点。

支持高频的材料的特点及产品系列

TDK支持高频的Mn-Zn系铁氧体支持PC95材料的量产。
PC200材料是一种铁氧体材料,在700 kHz~4 MHz的频率之间损耗小,在1.8 MHz~2 MHz左右之间电能转换能力最大。
例如,为了抑制蓄电池电压的电压变动,汽车的ECU必须搭载DC-DC转换器,但是为了EMI对策,开关频率上升到了避免AM带的频率(1.8~2.2MHz)。
可以说,PC200材料是最适合这种高频驱动的变压器的材料。p>

图1:高频开关元件 GaN用铁氧体材料
高频开关元件 GaN用铁氧体材料

■期待通过使用PC200对产品产生的效果
・通过高频化应对变压器的小型化
・高频驱动条件下的温度上升抑制效果

■主要用途
・民生设备:高效率、小型适配器、开关电源等
・工业设备:DCーDC转换器、高输出小型开关电源、逆变器等
・车载产品(EV、HEV):车载充电器 、 DC-DC转换器等

材料品名 频率范围*1(kHz) 产品状态 样品
PC95 -300 量产体制 可提供
PC50 300 - 1000 量产体制 咨询
PC200 700 - 4000 事前准备 可提供
(咨询*2)

*1 频率范围是大致范围。需要在实机上进行动作验证。
*2 关于PC200能支持的尺寸和数量,敬请咨询。

高频动作时相对以往铁氧体材料的优越性

材料特性比较

未指定公差时,是代表值

  PC95
(Mn-Zn)
PC50
(Mn-Zn)
PC200
(Mn-Zn)
起始磁导率 : μi @25℃ 3300±25% 1400±25% 800(Typ.)

磁芯损耗 @80℃ / kW/m³

@500kHz, 50mT 215 80 40
@1MHz, 50mT 880 480 150
@2MHz, 30mT - 850 160
饱和磁通密度 : Bs(mT) @100℃ 410 380 410
居里温度 : Tc / ℃ 215 240 280
图2:磁芯损耗(Pcv)的温度依赖性
磁芯损耗(Pcv)的温度依赖性
图3:磁导率
磁导率

性能参数 (f×B)

可根据性能参数(f×B)的图表计算出驱动频率能使用的磁通密度ΔB。

图4:性能参数
性能参数

动作磁通密度与磁芯损耗(磁芯的发热)相关。
动作磁通密度通过以下公式计算,受到饱和磁通密度或磁芯损耗限制的值为设计值。
磁通密度:B 动作电压:E 圈数:N 磁芯的截面积:A 开关开的时间:τ

回扫、顺向式转换器中,在300KHz以下动作时受饱和磁通密度限制,在第一第三象限使用LLC共振、全桥式等B的电路时受磁芯损耗的限制。

尤其在200KHz以上时,请参考右图的f×B曲线设定动作磁通密度。

磁芯温度的参考实验

PC200材料的铁氧体磁芯在高频动作时可以抑制发热。
因材质不同,最佳动作频率有所变化。

使用热像仪进行的各使用条件的磁芯温度比较

Frequency
(MHz)
0.3 1 2  
B
(mT)
80
(PC200 : 66)
50 30
f×B
(MHz・mT)
24
(PC200:20)
50 60
PC95
-
PC50
PC200
图5:确认温度时使用的电路
确认温度时使用的电路

PC95与PC200升温比较视频

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使用PC200材料时的注意事项

如图6所示,在大磁通下使PC200材料动作时,μi增加20%,磁芯损耗增加130%。
使用PC200材料设计产品时,推荐在Hdc=50(A/m)以下的条件下使用。
图7是超过Hdc=50(A/m)的事例
①在第一、第三象限使之动作时,在一侧超过。
②使直流重叠后超过。

图6:以大磁通量使PC200材料动作时的变化
以大磁通量使PC200材料动作时的变化
图7:驱动状态(磁滞回线)
Drive status (B-H loop)