金属磁粉芯材料的应用

金属磁粉芯材料的应用

张卫东

北京七星飞行电子有限公司

(国营第七九八厂)

所属专业：磁学

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目录

一．金属磁粉芯材料的发展及市场概况………………………….4 二．金属磁粉芯在磁性材料家族中的位置……………………….4 三．金属磁粉芯的制造工艺……………………………………….5 四．金属磁粉芯和铁氧体的比较………………………………….5 五．金属磁粉芯的主要指标及主要应用方向…………………….5 六．金属磁粉芯的应用设计……………………………………….6 七．金属磁粉芯的应用设计实例………………………………….9 结论和建议………………………………………………………….11 参考文献…………………………………………………………….11

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摘要

本文扼要介绍了金属磁粉芯软磁材料的分类、制造工艺及材料特点，重点论述了材料的应用方向，从专业角度介绍了实用应用设计方法。

关键词

金属磁粉芯 铁粉芯 高磁通 铁镍钼 铁硅铝 开关电源输出扼流圈 有源PFC电感 半窗原则 铜损 铁损 温升

绪论

金属磁粉芯作为软磁材料系列重要的组成部分具有独特的性能，可以广泛应用在各类逆变电路中。在国内，由于多数电源工程师对于金属磁粉芯的认识远不及应用广泛的铁氧体材料，金属磁粉芯的应用受到了很大的影响。本文旨在通过介绍金属磁粉芯的特性及应用，使更多的电源工程师对这种材料有更深入的了解，从而在设计中进行更理想的选择和应用。

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一．金属磁粉芯材料的发展及市场概况

金属磁粉芯是采用粉末冶金工艺制造的一种软磁材料，其特殊的磁性能使得其在许多应用场合具有其它材料难以比拟的优势，至今这种材料已经成为软磁材料的重要组成部分。金属磁粉芯生产历史悠久，但真正形成产业化是从二十世纪八十年始，随着逆变技术的快速发展和广泛应用，伴随着EMC的需求，金属磁粉芯得到了广泛的应用；进入二十一世纪，随着逆变电路的高频、高功率密度化和EMC的更高要求，加上人们对金属磁粉芯材料的认识的进一步加深，金属磁粉芯的产业化发展速度超过了其它任何软磁材料。

初步统计，目前金属磁粉芯在全球年销售额大约为1.8亿美元，占软磁材料的3%左右，其中高磁通、铁硅铝、铁镍钼在1亿美元左右。预计高磁通、铁硅铝、铁镍钼市场在未来几年将会以每年40%以上的速度增长，远大于铁氧体、铁粉芯等软磁材料的增长速度。

目前，全球范围内专业生产金属磁粉芯的企业为数不多，主要有以下几家：

美国MAGNETICS：主要生产高磁通、铁硅铝、铁镍钼，不生产铁粉芯，产量及技术水平处世界领先。

韩国CSC：产品和MAGNETICS雷同。

美国ARNOLD：产品和MAGNETICS雷同。

韩国DONGBU：产品和MAGNETICS雷同，产品技术水平较低。

中国北京七星飞行电子有限公司：生产高磁通、铁硅铝、铁镍钼、铁粉芯，品种类别齐全，部分材料处于世界领先水平。产品占据国内大多数市场。

英国MMG：专业生产铁硅合金粉芯。 美国MICROMETALS：专业生产铁粉芯。 此外，国内有几家专业生产铁粉芯的企业，主要集中在珠江三角洲地区，多为台资企业；国内也有极少数企业生产高磁通、铁硅铝、铁镍钼，但技术水平很低，规模很小。国外在日本和俄罗斯也有企业生产高磁通、铁硅铝、铁镍钼，但规模很小，在市场上很难看到产品及相关资料。值得一提的是，俄罗斯生产的铁镍钼产品技术水平很高，综合指标超过MAGNETICS水平，但仅在国内作专用配套。

二．金属磁粉芯在磁性材料家族中的位置

硅钢片纯铁粉(P类)高磁通(HI-FLUX,Fe-Ni50,H类)金属磁粉芯铁硅铝(SENDUST,SUPER-MASS,KOOL-Mμ,A类)铁镍钼(MPP,Y类)铁硅合金叵莫合金非晶微晶软磁矩磁压磁铁氧体软磁Mn-Zn非晶超微晶（nm晶）功率材料高导材料高稳定材料弱信号材料功率材料

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旋磁磁性材料硬磁金属软磁Ni-ZnMg-Zn

三．金属磁粉芯的制造工艺

金属磁粉芯是一种用传统的粉末冶金工艺制造的软磁材料，工艺过程大致如下：

原料配制粉碎制粉还原处理绝缘处理压制成型烧结老化处理表面处理 金属磁粉芯主要成分： 材料 主要成分

铁粉芯

高磁通

铁镍钼

铁硅铝

100%Fe 50%Fe,50%Ni 80%Ni,17%Fe,3%Mo 85%Fe,6%Al,9%Si 诚然，市场需求量远小于铁氧体、投资额比较大是金属磁粉芯生产厂家稀少的重要原因，

但我们认为核心的缘由是金属磁粉芯的技术难度大，工艺门槛高。

四．金属磁粉芯和铁氧体的比较

铁氧体作为一种万能材料几乎可以制作任何感性器件，目前国内多数专业电源设计人员对于铁氧体都比较熟悉，但对于金属磁粉芯相对比较陌生。

严格意义上说，金属磁粉芯只能制作电感类器件，下面列出了金属磁粉芯和铁氧作的电感（下称前者和后者）的区别：

1） 由于金属磁粉芯Bs较高，前者可以在同等体积下实现更高电感，或言前者功率密度高，

同时偏磁曲线具有准线性的特征使得磁芯不容易进入饱和状态。

2） 由于金属磁粉芯的均匀分布气隙的特点，前者可以避免后者由于气隙造成的局域损耗。 3） 由于金属磁粉芯比铁氧体对于环境变化（指温度变化和机械冲击）反应迟钝，这是由于

金属材料和陶瓷材料本身的特性决定，因此前者的可靠性要优于后者，这也是军工领域普遍采用金属磁粉芯的主要缘由。前者工作温度范围比后者宽，有些金属磁粉芯材料本身可以工作在300℃。

4） 前者设计方法相对简单，特别是在设计功率扼流圈时几乎不必测试动态指标进行设计验

证，而铁氧体由于材料稳定性差，需要在设计上针对不同情况进行不同的设计而且需要动态测试验证。

近一两年，随着国内工程师们对金属磁粉芯的认识的加深，学习国外整机设计中采用金属磁粉芯的成功经验，特别是随着行业内对EMI的重视和新的相关EMC标准要求，以及在许多运用逆变电路（如开关电源、变频器等）的整机中有源PFC电路所采用的由金属磁粉芯制造的PFC扼流圈给工程师带来的意外收获，等等，进一步推动了金属磁粉芯的产业发展速度。

五．金属磁粉芯的主要指标及主要应用方向

为方便，下表中所列举的材料系北京七星飞行电子有限公司的牌号（铁镍钼称Y类，高磁通称H类，铁硅铝称A类，铁粉芯称P类，羰基铁称T类），后文将以此类称。其它公司的相应型号请查阅相关对照表。另外说明如下：

1）μ严格讲指初始磁导率。由于金属磁粉芯μ绝对值很小，一般Bm不是很大（100Gs以内）时，初始磁导率和振幅磁导率差异很小，所以多数专业人员简称磁导率。

2）功耗因子指工作频率f/磁通密度峰值Bpk在50kHz/1000Gs下的标称值相对比较，仅作为参考。不同工作条件下以及不同μ值其功耗因子会有偏差。

3） 价格因子是指目前市场平均价格。

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金属磁粉芯主要材料特性比较

材料 铁粉芯 高磁通 铁镍钼 铁硅铝

1P

3P 75 4P 33 T 9 1.1 4 1.1 4 1.0 3

7.2 2 7.0 2

比1P损耗小，偏磁性较好 性能和3P相当但μ小

μ

Bs T

功耗 因子

比重g/cm3价格 因子

主要特点

75 1.0 5 7.2 1 价格低廉，损耗最大

6.0 10 100kHz-10M涡流损耗小 7.6 15 偏磁性好，损耗较小 7.6 20

损耗最小，温度稳定性最好，

μ范围宽

H 60/125 1.5 1 Y

60-300 0.8 0.5

A 60/125 1.1 0.8

5.8 10 性价比最好，偏磁性较好，

损耗小

偏磁性最好

铁硅合金 32 1.5 2.5 7.6 不详

下面对每种材料的特点及应用作更细致的说明：

1） 铁粉芯（1P）：是制造差模滤波器和无源PFC电感最廉价实用的材料。 2） 铁粉芯（3P、4P）：是制造功率扼流圈廉价实用的材料，但一般情况下应用于对空间要求不高的场合。如多数中低频（一般小于50kHz）UPS电源中大多采用4P材料作为输出扼流圈。特别提醒应用频率不应超过100kHz。很多情况下采用3P材料制造差模滤波器或无源PFC电感是基于应用噪声问题。

这里特别指出的是铁粉芯材料有两方面的缺点值得设计者关注，相关细节可以参考厂家的专业说明。一是铁粉芯材料由于磁致伸缩的原因，有时不可避免会造成噪声，一般1P材料最甚，3P、4P材料次之（不同品牌的铁粉芯材料磁致伸缩因子差异比较大），而其它类型的金属磁粉芯材料磁致伸缩因子几乎为零，不存在应用噪声问题。二是铁粉芯材料本身有热衰退问题，即长期在高温下（一般指100℃以上）使用会造成损耗永久增大，影响铁粉芯材料使用寿命。

3） 羰基铁T：由于采用超细铁粉制作，这种材料具有相对较小的涡流损耗，特别适宜于应用在频率100kHz-100MHz范围（大家知道，磁性材料在小信号下主要表现为涡流损耗，较大信号即功率应用情况下超过100kHz时涡流损耗占主导地位），是制造高频功率扼流圈（特别是高频谐振电感）、RF调谐电感芯体理想的材料。

4） 高磁通H：制造功率扼流圈可以实现体积最小化（即最大功率密度）。在军工领域，考虑到体积最小化和性能最优化，更多选用H125材料制造差模滤波器和无源PFC电感。

5） 铁镍钼Y：制造功率扼流圈可以实现损耗最小化，此外由于μ选择范围宽，在某些特定场合（如高压小电流输出扼流圈）更具实用性。Y材料温度系数最小是军工领域应用最为普遍的重要原因。

6） 铁硅铝A：尽管偏磁性比H材料略差，损耗比Y材料略差，但由于价格低廉使得A材料成为制造功率扼流圈性价比最高的材料。在民品市场，A材料几乎占据了金属磁粉芯扼流圈80%以上的市场份额。

六．金属磁粉芯的应用设计

由于金属磁粉芯工艺特点及目前应用状况，金属磁粉芯产品大多为环形。随着应用频率的提高及追求更小体积化，一些其它形状的产品如EE形、扁平罐形等应用而生。下文主要论述环形磁芯的应用设计，其它形状的应用设计与此雷同。

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1．差模滤波器

差模滤波器的设计比较简单，多数设计人员都知道用金属磁粉芯制造差模滤波器需要单层绕线但不知其故，其实原因很简单，单层绕线一般可以实现高频全频带范围内阻抗最大化。特殊情况下，如希望滤除更多低/高频干扰需要采用多层绕线/间绕。

关于选择磁芯大小的问题，这里解释一下。选择越大尺寸的磁芯，滤波效果越好，亦即高频阻抗会越大。进一步深入进行专业设计，就需要确定一定频率干扰的衰减(dB)要求，计算出负载的阻抗，分析和测试滤波器在该频率下的阻抗，进行比较计算就能够估算出适当尺寸。

需要特别提醒的是，设计人员必须考虑差模滤波器有一定的偏流成分（AC输入时要考虑峰值电流的情况），按照偏流下的动态电感推出滤波器工作时的真正阻抗进行设计。

2．无源PFC电感

通常应用频率（指逆变频率）不高（一般指低于50kHz）的情况下，采用有气隙的硅钢是制造无源PFC电感的较佳选择，但采用金属磁粉芯特别在较高频率下不失为实用的选择。用金属磁粉芯制造无源PFC电感要注意以下两个方面：①绕线尽量多占窗口（特殊规格的磁芯要考虑饱和问题），至少要实现半窗原则（后文有解释）；②选择适当品牌和材料实现应用噪声最小化。

3．功率扼流圈

运用金属磁粉芯制作功率扼流圈广泛应用在BUKE（如全桥、半桥、推挽开关电源输出扼流圈）、BOOST（如有源PFC电感）、CUKE、BUKE-BOOST（如单端反激变压器）等拓扑模式的电路中，也是功率谐振电感（移相补偿电感）的较佳选择。应用中最为常见的是开关电源输出扼流圈（BUKE）及有源PFC电感（BOOST）的设计，下面会详细论述其设计方法，其它扼流圈的设计方法与此相似。

首先设计人员必须了解以下几点：

1）最好选用生产厂家的标准尺寸产品。大家注意到，各厂家给出的尺寸系列几乎完全相同，如标准外径39.9mm的磁环，内径和厚度一定是24.1mm和14.5mm，这不是随意制定的，是厂家根据磁粉芯的饱和特点、绕线材料（铜）的电阻率以及应用中最普遍采用的频率范围和电压电流匹配等综合因素专业制定的。考虑到μ值的可选择性，生产厂家给出的标准尺寸产品几乎可以覆盖目前多数应用设计要求。

2）把握磁芯选用的两个原则：一是工作频率较低/高，要选用较高/低μ值的材料，通常情况下建议采用标准尺寸产品工作频率不超过300kHz；二是工作电压较高/低（即相对工作电流较低/高），要选用较高/低μ值的材料。对于工作频率过高或电压电流匹配过偏的情况，可以考虑选用非标磁芯，但选用较大尺寸的磁芯也不失为经济实用的方法。

3）功率扼流圈的绕线原则：半窗原则或称线圈占窗面积３／４原则（仅适宜于磁环，其它如EE形、扁平罐形当然要遵循满窗口原则）。即指在通常情况下绕线后剩余窗口直径为原来的一半。这种设计最为美观实用，也接近最佳设计。变压器设计人员都清楚以下事实，即变压器绕线圈数越多，磁芯内产生的Bm越小，铁损越小但铜损越大，这种情况同样适宜于功率扼流圈。适当地增加绕线圈数也不失为一种提高扼流圈整体转换功率、减小整体损耗的有效办法。

4）功率扼流圈磁芯大小的选择。这个问题笔者曾经在很多场合回答过应用设计者的提问，即根据笔者多年的实践经验选择单位体积磁芯的转换功率30-100W/cm3，但这个回答过于简单，严格地讲，还需要考虑以下因素：

①首先必须要考虑的是功率扼流圈的损耗问题，即温升必须要满足设计要求。这个问题比较复杂，要从以下几个方面考虑：

a．功率扼流圈的应用功率和其损耗并非简单线性关系。不同的拓扑模式情况各异，单

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就开关电源输出扼流圈而言，视应用情况不同而不同，占空比越大，磁芯损耗越小。

b． 不同材料类别损耗不同，如选用损耗最小的铁镍钼材料，磁芯选择可以较小； c． 功率扼流圈的应用散热条件好可以选择较小的磁芯。

d． 磁芯大小不同，尽管单位体积损耗相同，引起的温升不同，这是由于磁芯外表面积（和散热速度相关）和体积（和总铁损相关）并非线形关系所致。换言之，尺寸较小的磁芯，其单位体积表面积较大，在一定单位体积损耗情况下温升会较低。

②应用频率。一般应用频率较高，选用的磁芯越小。

③设计对纹波电流的要求越小，需要的动态电感量越大，选用的磁芯就越大。 ④和材料类别相关，如选用高磁通材料，可以选用相对较小的磁芯。

事实上，设计人员最需要考虑的是第一条即功率扼流圈的损耗问题。一般情况下，按照笔者的经验，定性考虑以上因素进行适当调整在大多数情况下是实用可行的。

一般说，更专业的设计方法是：按经验选择适当的磁芯，根据应用状况计算出磁芯不同情况下的工作点(Bm)，对照厂家提供的损耗表（P-f-Bm），计算出扼流圈的平均铁损（即磁芯损耗），同时根据绕线估算出扼流圈的铜损，然后参考以下资料估算功率扼流圈的温升。

下列公式及数据是美国MICROMETALS公司经过试验得出的，对于功率扼流圈的温升估测具有实用参考意义。

试验对象：铁粉芯系列磁环 试验条件：静止置放，无风

试验目的：总结磁芯损耗和温升的关系 试验结果如下表：

磁环尺寸(D*d*H)

(mm)

实现以下温升需要单位体积损耗

(mW/cm3) 10℃ 25℃ 40℃

7.80*3.84*3.25 400 1148 2026 9.53*5.21*3.25 412 1170 2065 11.2*5.82*4.04 310 884 1556 12.7*7.70*4.83 307 874 1535 17.5*9.40*4.83 234 6 1167 20.2*12.6*6.35 212 602 1056 23.9*14.2*7.92 160 4 802 26.9*14.5*11.1 114 322 566 33.0*19.8*11.1 117 331 582 39.9*24.1*14.5 94 266 468 50.8*31.8*14.0 87 260 436 77.2*49.0*12.7 62 186 327 102*57.2*16.5 43 130 228 数据处理后得出近似公式：温升(℃)=[磁芯损耗(mW)/磁芯表面积(cm)]0.833这里需要提醒设计人员注意以下几点，设计时作参考并适当进行调整： ①由于不同金属磁粉芯材料的比热系数有所不同，比热系数越大，同样尺寸同样损耗会导致较小的温升，所以对于不同材料，在参考铁粉芯的温升经验数据时要有所考虑。不同金属磁粉芯材料比热系数由大到小排序：Y类，H类，P类，T类，A类。

②要定性考虑磁环绕线后形状变化带来的散热面积的变化，对设计作一定调整。 ③对扼流圈的铜损的计算不是简单的I2Rdc，要从专业角度分析和综合考虑趋肤效应和邻近效应对铜损的影响。对于这方面的专业分析计算以及由此相关的专业绕线方式的分析本文

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不作论述，请读者参阅相关资料。

七．金属磁粉芯的应用设计实例

下面分别列举用具有代表种类的采用金属磁粉芯设计的开关电源输出扼流圈和有源PFC电感各一例，其它类型的功率扼流圈设计方法与此雷同。

3.6kW开关电源输出扼流圈：

要求：频率50kHz(电源全桥25kHz整流)，输出DC300V*12A(Uo*Io)，占空比D=0.4-0.8，工作时无风自然冷却，体积尽量小。

1） 磁环选择：七星飞行型号高磁通材料H60-560两只(尺寸Φ56*Φ32*20)（功率密度111W/ cm3），相关参数Ae=2.4 cm2，Le=13.5cm，Ve=32.4cm3，AL=132nH/N2。

2） 电感量计算：按最大占空比的情况，纹波电流按ΔI=Io*20%设计。

根据Uo=L*ΔI/toff，计算出L= 500μH。此为扼流圈流过Io时要求的电感量。 3） 圈数计算：一般按L的2倍设定静态电感Lo=1mH（即无直流成分时的电感），根据Lo=AL*N2，计算出圈数N=87Ts。

4） 圈数调整：按电流选择合股漆包线Φ0.27*40根(2.29mm2)，实际设计和制作时考虑

扼流圈匝间绝缘，提高可靠性，合股线外增加绝缘层，考虑窗口，圈数调整为78Ts，实际绕制后窗口较满（剩余内径大约6mm左右）。

计算实际工作参数进行设计评估：

1） 电感量：静态电感Lo=AL*N2=800μH。根据环路定律HLe=NIo，计算出磁环工作点磁化强度H=6933A/m即87 Oe，根据厂家提供的H60材料的μ%—H曲线（见下图）查出μ大约为静态值的78%，由此得出动态电感量为624μH。

2） 铁损：要考虑最小占空比D=0.4的情况，此时铁损最大。

根据电磁感应定律Uo=N*2Bpk*Ae/toff计算出磁环工作时峰值磁通密度Bpk=960Gs，根据厂家提供的H60材料的P-f-Bpk曲线（见下图）查出磁环功率损耗密度大约为380mW/ cm3。按前文综合考虑，铁损引起的温升大约在45℃左右。

3） 铜损：绕线后直流电阻大约为50mΩ，定性考虑趋肤及邻近效应，铜损引起的温升大约在15℃左右。

经上机试验，扼流圈在设计条件下，输入电压最大、输出满载（对应最小占空比）时，温升在60℃左右，和设计基本吻合。

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800W有源PFC电感：

如果说采用铁氧体材料制作开关电源输出扼流圈仍不失为一种经济的选择，那么对于AC输入的有源PFC电感的制作在多数情况下需要采用金属磁粉芯，因为金属磁粉芯具有优良的饱和特性以及有效避免局域损耗问题给工程师们设计有源PFC电感带来了意外的惊喜。

要求：工作频率50kHz，输入220Vrms-30%，输出DC400V*2A，工作时无风自然冷却，体积尽量小，成本要低。

1） 磁环选择：七星飞行型号铁硅铝材料A60-399 (尺寸Φ39.9*Φ24.1*14.5)（功率密度73W/ cm3），相关参数Ae=1.072 cm2，Le=9.84cm，Ve=10.5cm3，AL=81nH/N2。

2） 电感量计算：效率按95%考虑，按最大输入电流点设计。 最大输入峰值电流Ipk=21/2*400*2/(220*0.7)/0.95=7.73A。

纹波电流按ΔI=Ipk*20%=1.55A，此时占空比D=1-220/400=0.45。 按(400-220)V=L* ΔI*(100*103)/ (1-0.45)推得L=0μH。

3） 圈数计算：一般按L的2倍设定静态电感Lo=1.28mH，根据Lo=AL*N2，计算出圈数N=126Ts。

4） 圈数调整：按电流选择漆包线Φ1.05，考虑半窗口原则，圈数调整为140Ts，实际绕制后窗口适当（剩余内径大约9mm左右）。

计算实际工作参数进行设计评估：

1） 电感量：静态电感Lo=AL*N2=1.59mH。根据环路定律HLe=NIo，计算出磁环最大工作电流Ipk点磁化强度H=140Oe，根据厂家提供的A60材料的μ%—H曲线（见下图）查出μ大约为静态值的32%，由此得出动态电感量为500μH。

2） 铁损：有源PFC电感铁损的精确计算比较复杂，输入电压本身是可变数，同时在50Hz的半个周期内电压不断变化，因此每个逆变周期内输入电压是不同的，占空比也不同，由此在磁芯内引起的Bpk也不同。对于有源PFC电感，最大Bpk发生在D=0.5即输入电压为200V的情况，此时铁损最大。

最大铁损计算：根据电磁感应定律Uo-Ui=N*2Bpk*Ae/Toff推得Bpk=330Gs，根据厂家提供的A60材料的P-f-Bpk曲线（见下图）查出磁环功率损耗密度大约为230mW/cm3。

专业的理论计算表明，磁芯平均损耗的最坏情况是磁芯铁损最大值的70%左右。这一点务请设计人员记在心里。

磁环平均功率损耗密度大约为160mW/cm3。按前文综合考虑，铁损引起的温升大约在20℃左右。

3） 铜损：绕线后直流电阻大约为170mΩ，最大铜损发生在输入电压最小时，定性考虑趋肤及邻近效应，最大铜损引起的温升大约在40℃左右。

经上机试验，扼流圈在设计条件下，输入电压最小、输出满载时，温升在60℃左右，和设计基本吻合。

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结论和建议：金属磁粉芯软磁材料具有和铁氧体不同的独特性能，在许多应用场合

具有独特的应用优势，建议电源工程师们更深入地认识和研究这类材料，以期进行更理想的选择和设计。

参考文献

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<2>Bruce Carsten:” Simplified Calculations of Magnetic and Electrical Losses in Unity Power Factor Boost Preregulators”

<3>Dale J.Nicol:”An Objective Comparison of Powder Core Materials for Inductive Components with Selected Design Examples”, ,MICROMETALS website,2004.

<4>刘胜利《现代高频开关电源实用技术》，电子工业出版社，2001.9 ISBN 7-5053-6929-6 <5>”Inductor Design in Switching Regulators”,MAGNETICS Technical Bulletin SR-1A

<6>”For Designers of Chokes,Coils,Inductors,Filters and Resonant Circuits” ,MAGNETICS Technical Bulletin CG-02

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