GaN开发的PC200材料的特点及使用时的要点

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。

目录

支持高频的材料的特点及产品系列

相对以往的铁氧体材料的优越性

性能参数 (f×B)

磁芯温度的参考实验

使用PC200材料时的注意事项

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

■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

图3：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

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

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

图7：驱动状态（磁滞回线）

 

        审核编辑：彭菁