摘要： 随着汽车电子多功能化应用普及，汽车电子配套的软磁元器件朝着高频化、低损耗、耐高温、抗干扰性强的方向发展。根据汽车电子的具体元件设计要求，使用对应的软磁材料非常必要。本文分别介绍了天通公司针对汽车电子的各种软磁元器件（DC/DC转换器、AC/DC转换器、功率电感、抗电磁干扰电感）对应的软磁材料。
1 引言
汽车电子是指汽车上应用的电子化和电子技术的总称。汽车电子按照功能大致可以分为两大类，即车体电子控制系统（如电子燃油喷射系统、电子助力转向系统、制动防抱死系统等）和车载电子控制系统（如车载CD/DVD音响系统、GPS导航系统等）[1]。
随着汽车电子多功能化应用普及，在汽车电子配套的软磁元器件朝着高频化、低损耗、耐高温、抗干扰性强的方向发展[2]。根据器件的性能要求不同，对应软磁材料的要求也不一样。因而根据汽车电子的具体元件设计要求，使用对应的软磁材料非常必要。
本文分别介绍了天通公司针对汽车电子的各种软磁元器件（DC/DC转换器、AC/DC转换器、功率电感、抗电磁干扰电感）对应的软磁材料。
2 汽车电子用软磁材料
2.1 DC/DC转换器用铁氧体材料
2.1.1 高频低损耗材料TP5&TP5B
HID（Intensity Discharge Lamp），中文叫疝气灯，与传统的卤素车灯相比，HID前照灯具有比亮度高、寿命长、节能等特点，目前广泛应用于汽车照明。在汽车HID照明系统中采用安定器（特制的整流器），其中的DC/DC转换器为其核心器件。DC/DC转换器的工作频率往往设计得很高，例如，某国产整车厂的HID安定器的频率高达500kHz，这就需要对应的MnZn铁氧体磁性材料具有高频低损耗的特点[1]。天通公司为满足汽车电子及其他领域对于MnZn铁氧体材料的高频低损耗要求，开发了TP5和TP5B材料，材料特性表分别见表1和表2。
如图1所示，在500kHz&50mT下测试，TP5和TP5B的功耗相对于天通传统的TP4材料有显著的下降，尤其在100℃时，TP5和TP5B的功耗相对于天通传统的TP4材料功耗降低了100kW/cm3。在低频时（500kHz&50mT），TP5B材料的功耗高于TP5材料，但是在高频下（1MHz&30mT），如图2所示，TP5B材料的高温段（80℃~120℃）功耗小于TP5材料。TP5材料适用于高频段300kHz~1MHz；TP5B材料适用于超高频段1MHz~3MHz。
2.1.2 高Bs低损耗MnZn材料TPB15
一方面，汽车电子用的DC/DC转换器往往工作于高温和高磁感应强度状态下，然而高温下磁心的饱和磁感应强度急剧下降，容易导致磁心工作于磁滞回线的非线性饱和区，绕组阻抗急剧降低、电流急升而恶性发热甚至烧毁[3]；另一方面，使用饱和磁通密度Bs低的材料，往往工作磁通密度Bm选得较低，这样磁心的尺寸往往较大。为提高器件的性能和减小器件的尺寸，提高材料的Bs非常必要，尤其是高温Bs。天通公司为满足汽车电子及其他领域对于MnZn铁氧体材料的高Bs低损耗要求，开发了TPB15材料，材料特性如表3所示。
如图3所示，相对于天通传统的TP4材料，TPB15材料的Bs有显著的提升，尤其是高温的Bs。图4为TPB15材料与天通传统的TP4材料的Pcv-T曲线对比。由图可见，相对于天通传统的TP4材料，TPB15材料的功耗谷点设计在100℃左右，TPB15材料高温段的功耗基本与TP4材料相当。
2.1.3 低损耗NiZn材料TN40L&TN80L
在车载照明电子中，考虑到汽车照明电子的工作电流大，有使用MnZn材料制成工字型磁心，NiZn铁氧体材料制成磁罩，两种磁心组合在一起的设计，为获得较高的转换效率，这往往要求NiZn铁氧体材料具有较低的损耗。天通公司为满足汽车电子及其他领域对于NiZn铁氧体材料的低损耗要求，开发了TN40L和TN80L材料，材料特性如表4所示。
如图5为TN40L材料的Pcv-Bm曲线。Pcv随Bm的增加而增加，Pcv随频率的增加也是增加的。由于NiZn材料的Bs较低，材料的工作电流不宜太大，否则可能导致磁心过度发热。[#page#]
表 4 TN40L和TN80L材料特性
Initial permeability μi 25℃ TN40L TN80L
400±20% 800±20%
Saturation magnetic
flux density Bs(mT) 4000A/m 25℃ 440 410
100℃ 340 270
Core loss Pcv
(kW/m3) 100kHz 100mT 120℃ 420 380
Curie temperature Tc (℃) >230 >190
Electrial resistivity ρ (Ω·m) 106 106
Density d (kg/m3) 5.0×103 5.0×103
2.1.4 宽温低损耗MnZn材料TPG30
混合动力汽车(HEV)是由内燃机和电池两种动力驱动的汽车，DC/DC转换器为HEV动力系统的核心器件，要求使用的磁心从零下到125℃都有低的损耗和高的效率，所以必须要开发宽温低损耗MnZn材料。天通公司为满足汽车电子及其他领域对于MnZn铁氧体材料的宽温低损耗要求，在原来的TPW33材料的基础上，开发了TPG30材料，材料特性如表5所示。
图6为TPG30材料与TPW33材料的μi-T曲线对比。 由图可见，TPG30材料与TPW33材料的μi随温度的变化较平坦，两个材料相差不大。如图7所示，TPG30材料与TPW33材料在不同温度下的功率损耗对比可以看出，TPG30材料的常温和低温损耗明显小于TPW33材料。TPW33材料应该更能满足汽车运行环境的恶劣对于磁心工作温度的要求，例如，两极严寒地带。
2.2 AC/DC转换器用高温低损耗MnZn材料TP4D
纯电动汽车(EV)是用高能充电电池作为动力源驱动的汽车，由于其节能环保，目前是各国汽车产业界研究开发的重点。EV的关键技术之一在于高能电池及其相关技术。EV充电方式分为接触式和感应式两种。EV充电需要用到AC/DC转换器，考虑到充电的效率，往往需要磁心在高温下具有较低的损耗。天通公司为满足汽车电子及其他领域对于MnZn铁氧体材料的高温低损耗要求，开发了TP4D材料，材料特性如表6所示。
图8为TP4D材料与TP4材料的功耗温度特性对比。与传统的功率材料TP4一样，TP4D材料损耗最低点设计在100℃，100℃的功耗Pcv为250kW/cm3，比传统材料TP4小35%左右，用其制作的变压器效率更高。
2.3 功率电感用NiZn高Bs材料TN35B&TN25B&TN20B
EPS(Electrical Power Steering)，中文称作电子助力转向， EPS系统可以根据方向盘上的转矩信号和汽车的行驶车速信号，利用电子控制装置使电动机产生相应大小和方向的辅助动力，协助驾驶员进行转向操作。长期以来，汽车的动力转向系统普遍采用的是液压助力转向系统，随着人们对汽车环保、节能和安全性要求的进一步提高，EPS电子助力转向正在逐步取代传统液压助力转向。转向盘转矩传感器是EPS系统中的主要组成部分之一。电感式转矩传感器使用的功率电感一般采用NiZn铁氧体材料，为保证传感器信号的精度，要求材料的饱和磁通密度Bs较高，从而保证磁心工作在磁化曲线的线性区间内[4]。天通公司为满足汽车电子及其他领域对于NiZn铁氧体材料的高Bs要求，开发了TN35B&TN25B&TN20B材料，材料特性如表7所示。
一般传统NiZn材料在常温(25℃)的Bs为400mT左右，TN35B&TN25B&TN20B材料在常温的Bs分别打到了460mT、475mT和500mT(8000A/m)；一般传统NiZn材料在高温(25℃)的Bs为300mT左右，TN35B&TN25B&TN20B材料在高温的Bs分别打到了360mT、380mT和400mT (8000A/m)。TN35B&TN25B&TN20B材料在常温和高温下能保持较高的Bs，从而器件的直流偏置特性较好，能够保证转向盘转矩传感器能够在较宽的温度范围内正常稳定工作。[#page#]
表 7 TN35B、TN25B和TN20B材料特性
Initial
permeability μi 25℃ TN35B TN25B TN20B
350±20% 250±20% 200±20%
Saturation
magnetic
flux density Bs (mT)
4000A/m 25℃ 460 475 500
(8000A/m)
100℃ 360 380 400
(8000A/m)
Curie
temperature TC (℃) >260 >300 >300
Electrial
resistivity ρ (Ω·m) 106 106 106
Density d (kg/m3) 5.2×103 5.2×103 5.2×103
2.4 抗电磁干扰用软磁材料
现在汽车普遍采用电子控制单元(ECU，Electronics Control Unit)控制车辆的一个或多个电子子系统。所有这些控制单元都由众多的模块和元器件组成，在工作时很容易受到电磁噪音的干扰(EMI)。
汽车相关的EMI，从传输特性上，可以分为辐射噪声和传导噪声。辐射噪声频率通常在30MHz以上，一般使用NiZn材料制成的R棒磁心对应；传导噪声频率通常在1MHz以下直到30MHz附近，传导噪声根据干扰电压对地的对称性，分为差模干扰和共模干扰两种。差模干扰一般使用FeSiAl金属磁粉心制成差模扼流圈来对应；共模干扰一般使用MnZn高导材料制成共模扼流圈来对应。
2.4.1 抗电磁干扰用NiZn材料TN25H
为满足汽车电子及其他领域对于抑制30MHz以上噪声的要求，天通公司开发了NiZn铁氧体材料TN25H。表8为TN25H材料与国外同类材料特性对比。由表可见，TN25Y材料的性能基本与FERROXCUBE公司的4B1材料相当。该材料推荐使用于R棒磁心。
表 8 TN25H材料与国外同类材料特性对比
Company FERROXCUBE TDG
Material 4B1 TN25H
μi， 10kHz 250±20% 250±20%
Bs，
at 4KA/m 25℃ 360 (at 3KA/m) 420
100℃ 310 (at 3KA/m) 350
tanδ/μi 1MHz ≤90 ≤90
ρ，Ω·m 106 106
TC， ℃ ≥250 >300
density 4.60 5.00
2.4.2 抗电磁干扰用FeSiAl磁粉心
差模扼流圈对应的电流较大，一般应选用有较高饱和磁感应强度和直流偏置特性好的磁心，为满足汽车电子及其他领域对于抑制差模干扰的要求，天通公司开发了FeSiAl磁粉心。铁硅铝磁粉心具有分布式气隙、饱和磁感应强度大、宽恒磁导率、高居里温度、温度稳定性好、几近为零的磁致伸缩系数等特点，非常适用于差模扼流圈。图9和图10分别为各磁导率的铁硅铝磁粉心的μi-f曲线和直流偏置特性。
2.4.3 抗电磁干扰用MnZn高导材料TS5&TS7&TS10
共模扼流圈一般一方面要求材料具有高的起始磁导率，可保证共模电感器有高的电感量或在同样电感量时有低的匝数和分布电容，以便达到高的插入损耗；另一方面，要求材料具有较好的阻抗频率特性。为满足汽车电子及其他领域对于抑制共模干扰的要求，天通公司开发了MnZn高导材料TS5&TS7&TS10材料，具体材料特性见表9。
图11为TS5﹑TS7和TS10材料的阻抗频率特性。由图可见，材料的磁导率越高，对应的高频阻抗越小。不同的共模电感设计需要根据具体的电感和阻抗要求选择不同的材料来对应。[#page#]
3 总结
(1)针对汽车电子及其他领域DC/DC转换器的不同要求，天通公司分别开发了高频低损耗MnZn铁氧体材料TP5和TP5B，高Bs低损耗MnZn铁氧体材料TPB15，低损耗NiZn铁氧体材料TN40L和TN80L，宽温低损耗MnZn铁氧体材料TPG30。
(2)针对汽车电子及其他领域AC/DC转换器的要求，天通公司开发了高温低损耗MnZn铁氧体材料TP4D。
(3)天通公司为满足汽车电子及其他领域对于NiZn铁氧体材料的高Bs要求，开发了TN35B&TN25B&TN20B材料。
(4)为满足汽车电子及其他领域对于抑制噪声的要求，天通公司分别开发了NiZn铁氧体材料TN25H对应高频辐射噪声，FeSiAl磁粉心对应差模干扰噪声，MnZn高导材料对应共模干扰噪声。
参考文献
[1] 赵光. 汽车电子用软磁铁氧体[J]. 磁性材料及器件， 2007， 38(1): 7-12
[2] 陈国华， 陈琳. 磁性元器件在汽车电子器件中的应用[A]. 海峡两岸磁性材料洽谈会[C]. 深圳: 全国磁性材料与器件行业协会， 2007. 93-98
[3] 傅膑， 周晓军， 范仲康， 等. Ni取代对MnZn铁氧体磁性能的影响[J]. 磁性材料及器件，2012， 43(1): 61-63
[4] 季学武， 刘学， 孙凌玉. 电动助力转向系统电感式转矩传感器的研究[J]. 传感器世界，2007， 13(2): 11-14
作者简介
聂敏(1980-)，男，湖南省邵阳市人，2005年12月毕业于日本国立丰桥技术科学大学生产工学系，工学硕士，天通控股股份有限公司磁性材料事业本部软磁研究所副所长，主要从事高性能软磁材料的研发及管理。
