磁性材料在無極燈中的應(yīng)用

鄧紹清 何世民

(綿陽市維奇電子技術(shù)有限公司，綿陽 621000)

1 新型電光源發(fā)展的需求

高頻無極燈就是通過電磁感應(yīng)原理，綜合運(yùn)用光學(xué)、功率電子學(xué)和磁學(xué)領(lǐng)域的最新科技成果，將電能轉(zhuǎn)化成磁能，再轉(zhuǎn)化成光能的高新技術(shù)產(chǎn)品，已成為國際公認(rèn)的第四代節(jié)能環(huán)保光源，它有高光效、長(zhǎng)壽命、高顯色、光線穩(wěn)定等特點(diǎn)，是照明行業(yè)未來發(fā)展的方向之一，是21世紀(jì)最有發(fā)展前景的綠色節(jié)能照明光源。

高頻無極燈 (電磁感應(yīng)燈)由電子鎮(zhèn)流器 (電源)、耦合器和泡殼三部分組成。其中耦合器中的磁管或磁條、振蕩電路中的振蕩磁環(huán)和扼流線圈中的高頻磁環(huán)，是無極燈中最關(guān)鍵的元器件，它們自身的特性以及它們彼此之間的匹配，直接關(guān)系到無極燈的可靠性和光效以及使用壽命。

雖然都是高頻鐵氧體材料，但由于使用的場(chǎng)合不同，起的作用不同，因此對(duì)磁性材料特性的要求就有所差異;高頻無極燈耦合器對(duì)磁芯的居里溫度和損耗要求很高，無極燈的工作頻率為2.65MHz，耦合器置于燈泡的中間位置，它完成電源阻抗與耦合器阻抗匹配，耦合器的阻抗與介質(zhì)的阻抗匹配，把電能轉(zhuǎn)換成電磁能，電磁能轉(zhuǎn)換成光能，耦合器工作磁芯由于存在磁損耗，線圈存在著銅損，泡內(nèi)介質(zhì)存在介電損耗，發(fā)熱不可避免，無極燈內(nèi)管的溫度可以達(dá)到270度以上，且耦合器又處于中間位置，散熱十分困難，因此如果磁芯的居里溫度不夠高，當(dāng)環(huán)境溫度超過磁芯的居里點(diǎn)后，磁芯就會(huì)失去導(dǎo)磁能力，無極燈就會(huì)熄滅;振蕩電路是高頻無極燈的核心部分，由它產(chǎn)生2.65M的驅(qū)動(dòng)信號(hào);振蕩環(huán)的電感量以及溫度系數(shù)，直接決定了振蕩電路的輸出頻率的穩(wěn)定性，因此保證振蕩環(huán)在各種可能的工作環(huán)境中保持相對(duì)穩(wěn)定的電感量就成了磁性材料研究的關(guān)鍵;扼流線圈是高頻輸出諧振電路的重要組成部分，也是一個(gè)重要的低通濾波器，它在啟動(dòng)時(shí)通過電路的諧振狀態(tài)輸出一個(gè)3000V以上的高壓，將燈啟動(dòng);在正常工作時(shí)將2.65M以上的高次諧波濾除，把開關(guān)管輸出的方波變成正眩波;它電感量的大小，直接影響到燈泡的輸出功率，因此其電感和阻抗的穩(wěn)定性和自身的損耗對(duì)無極燈的可靠啟動(dòng)、光效、功率的一致性非常重要。

2 高頻無極燈耦合器磁芯

耦合器是高頻無極燈最關(guān)鍵的部件之一，其性能直接影響到燈的可靠性、光效和使用壽命。由于高頻無極燈內(nèi)腔的溫度很高，(165W的燈內(nèi)腔溫度可達(dá)到250度以上)，因此對(duì)耦合器磁管的居里溫度和自身的損耗提出了很高的要求。

當(dāng)前用于高頻無極燈的磁性材料有錳鋅功率鐵氧體材料和鎳鋅功率鐵氧體材料兩種，國外高頻無極燈耦合器，Philips公司1996年推出了高頻錳鋅功率材料3F4，該材料也成功地用于了PHILIPS的第一代高頻無極燈上。但3F4在高頻無極燈上應(yīng)用還有兩點(diǎn)不足，一是自身功耗偏大，pcv(kW/m3)=320(3MHz 10mT 100℃)，自身發(fā)熱嚴(yán)重，并影響光效;二是居里溫度偏低，Tc=220℃，導(dǎo)致耦合器溫升過高，必須使用很大的散熱器才能正常工作。針對(duì)3F4的以上缺點(diǎn)，Philips公司又開發(fā)出新一代高頻錳鋅功率材料3F5，其功耗為3F4的1/3，pcv(kW/m3)≈100(3MHz 10mT 100℃);居里溫度提高了70℃，Tc≥300℃，從而滿足了高頻無極燈耦合器的要求。在推出高頻錳鋅功率材料的同時(shí)，PHILIPS還推出了鎳鋅功率材料NiZn材料系列4F1，也能滿足高頻無極燈耦合器的需要，其材料參數(shù)為μi=80，pcv≤200 kW/m3(3MHz 10mT 100℃)。

綿陽維奇公司針對(duì)高頻無極燈的應(yīng)用，于2003年開始致力于無極燈專用磁芯的開發(fā)，于2004年推出了PTM600，其性能指標(biāo)與PHILIPS的3F4相似。PTM600在85W以下無極燈中得到了廣泛的應(yīng)用;針對(duì)大功率無極燈的需求，參照PHILIPS的3F5，維奇公司于2007年又成功地開發(fā)出PTM650，其使用頻為1M到5M，居里溫度高于300度，損耗低于PHILIPS的3F5，當(dāng)前已大量應(yīng)用于135W以下的高頻無極燈中。

表1 Philips 3F5和3F4的主要性能

表2 綿陽維奇當(dāng)前已批量供貨的PTM650的產(chǎn)品

除了高頻錳鋅功率材料以外，低損耗，高居里溫度的鎳鋅功率材料也是大功率高頻無極燈 (165W以上)耦合器的首選。又因?yàn)殒囦\材料的絕緣特性，使得高溫線可以不用繞線骨架，直接繞制在磁芯上，不僅提高了耦合器的可靠性 (不用再擔(dān)心骨架的耐高溫性和骨架的壽命)，而且也降低了成本。

PHILIPS的鎳鋅材料中能用于高頻無極燈的是4F1，其居里溫度只有260℃，做大功率無極燈并不理想;維奇公司開發(fā)的PN100，居里溫度大于400℃，而且溫度系數(shù)很小，非常適合大功率高頻無極燈。

表3 高頻無極燈耦合器用的NiZn鐵氧體材料

3 高頻振蕩環(huán)和扼流環(huán)

高頻無極燈的工作頻率是2.65MHz，該頻率信號(hào)是由無極燈電源中的一個(gè)LC振蕩電路產(chǎn)生的，該頻率的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性，直接影響到無極燈工作的可靠性和光效，因此用于該電路的振蕩環(huán)的溫度特性、一致性、穩(wěn)定性就顯得十分重要。維奇公司研制的寬溫、高穩(wěn)定的NiZn鐵氧體材料PN60A，具有溫度系數(shù)好，工作范圍寬，性能一致性好的特點(diǎn)，在國內(nèi)無極燈行業(yè)中得到廣泛應(yīng)用。

表4 綿陽維奇當(dāng)前已批量供貨的PN100的產(chǎn)品

表5 高頻無極燈電子鎮(zhèn)流器使用的兩種NiZn鐵氧體材料性能

表6 綿陽維奇當(dāng)前已批量供貨的扼流環(huán)和振蕩環(huán)的產(chǎn)品

無極燈技術(shù)產(chǎn)品的發(fā)展給軟磁鐵氧體材料提出了更高的要求，以上敘述了高頻無極燈用軟磁材料的發(fā)展情況，并介紹了我公司開發(fā)的高頻無極燈用磁芯的成果。