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1、锰锌铁氧体材料技术性能的拓展 刘九皋L 2 ，傅晓敏2 ( I 、中国计量学院东磁研究院浙江杭州3 1 0 0 1 8 2 、横店集团东磁股份有限公司浙江东阳 3 2 2 1 1 8 ) 近两年来，世界各大铁氧体公司竞相提高锰锌铁氧体材料技术性能，以适应日益拓展 的应用领域，使这种基础功能材料的发展出现了勃勃生机。在n 产业、电力电子，特别是 网络通信等用户的苛求下，为保证设备系统稳定、可靠、高效运行，一种求新、求全的理 念，已逐渐主导着铁氧体软磁材料的研发方向。这就是要求材料具有更高的饱和磁通密 度B s ，更好的直流叠加特性，更低的比损耗系数t g 6 ui ( 包括高磁通密度下的功耗P
2、e ) 乖l l 总谐波失真系数( n D ) 以及更宽的使用频率和更广的使用温度范围。即所谓两宽( 宽频、宽 温) 、两高( 高B s 、高D C - B i a s 性能) 、两低( 低的比损耗系数t g 6 ，ui 或P c 、低谐波失真T H D ) 兼具的特点。 1 高B s 、高D C B i a s 特性 高B s 材料也就是功率铁氧体材料，其饱和磁通密度B s 越高。则磁心处于正常工作状 态时越不容易饱和。新的设计理念不再偏重使磁心在高磁通密度下工作以降低铜线绕组功 耗，因为M n Z n 铁氧体磁心在这种情况下功耗会急剧增大，绕组功耗的降低远不能抵偿磁 心材料功耗的增加。所以
3、，新的设计理念是以低的交流励磁电平而不再以高的励磁电平激 励元件，即让磁心工作在“可用磁通密度”，而不是硬饱和状态，以避免磁通密度处于磁滞 回线非线性区域时导致磁导率陡直下降，磁心绕组因阻抗降低而恶性发热甚至烧毁。一般 “可用磁通密度”为饱和磁通密度的8 0 ，提高B s 的途径不外乎调整工艺，如提高磁心密度 和优选配方及有效添加物。近两年来，国内外厂家在提高B s ，特别是高温B s 方面，不遗 余力的推陈出新，取得了不少出色的成果隆5 1 。如德国E P C O S 和荷兰P h i l i p s 公司去年推出 的N 4 5 和3 8 4 6 材料，其常温B s 为5 5 0 r n T
4、 ，1 0 0 “ C 时为4 3 5 m T ；荷兰P h i l i p s 公司改进后的 3 C 9 2 材料，常温B s 为5 4 0 r o t ，1 0 0 “ C 时达4 6 0 m T ，1 4 0 “ C 时尚达4 0 0 m T ；日本F D K 公司 去年推出的4 H 4 5 和4 H 4 7 材料，1 0 0 “ C 时B s 分别为4 5 0 r o T 和4 7 0 m T ：日本T D K 公司去年 推出P C 9 5 后，今年又适应市场需求推出了宽温高B sP C 9 0 材料，其常温B s 为5 4 0 m T ，1 0 0 时为4 5 0 m T ，且1 0
5、 0 k H z 、2 0 0 m T 、1 0 0 “ C 状态下功耗为3 2 0 m W c m 3 ：东磁公司D M R 2 K P 1l 。 及D M R l 2 K H 材料高温B s 分别为4 6 0 r o T 和4 7 0 1 1 1 T ，已接近F D K 公司4 H 4 7 和P h i l i p s 公 司3 C 9 2 水平。在功率铁氧体材料市场拓展方面，各公司真可谓你方唱罢我登场，使出了 浑身懈数。高u 材料常温B s 值也刷新到了4 3 0 4 5 0 r o T 的水平，除改善直流叠加特性外， 还大大降低了装配压力对磁心电感的影响。 当然，B s ，特别是高温B
6、 s 的提高，不仅仅是为了传输更大的功率，同时还可以大大改 善磁导率的直流叠加特性。所谓高直流叠加特性，是指以下几个方面：在材料的l l 。H D C 性能曲线上，增量磁导率1 1a ( 或称叠加磁导率) 开始下降的临界直流磁场要高，即材料u 。 不变时所能承受的叠加直流电流要高：在临界直流磁场以上，u 。的下降趋势越缓慢越好， 即叠加上直流以后的磁心电感量不能下降太低，其值越高越好：上述磁心电感量是在工 作的交变场下测得，要求这个交变场频率越高越好，相应的场强也是越高越好；工作环 境要求宽温，用户特别重视高温直流叠加性能，甚至高达1 2 5 。C ，P h i l i p s 公司3 C 9
7、 3 材料已 实现1 4 0 6 C 功耗谷点和相应的B s 要求。而直流叠加特性的改善，除上述高B s 要求外，还 应得益于剩余磁通密度B r 值的降低。理论和实践证明【6 j ，只有提高B s 同时降低B r ，即增 大AB 值，使材料的磁滞回线倾斜成恒导型，才具有良好的D C - B i a s 特性。材料制造商明 白，B s 受到理论值上限的约束，已无多少提高的余地，而B r 却可通过多种途径进一步 表1 世界名大公司最新推出的高B s 材料性能表 初始磁导率常温( 2 5 “ C )高温0 0 0 “ C ) 公司牌号谷点功耗触W c m “ 3 UiB s m TB s m f r
8、 E P C O S N 4 53 8 0 05 5 04 3 5 t g6 ui 2 1 0 “ 6 ( 1 0 0 k H z ，2 5 “ C ) 3 8 4 63 8 0 05 4 54 3 5 t g6 “il 6 1 0 “ 6 ( 1 0 0 k H z ，2 5 “ C ) 4 6 0 3 C 9 21 5 0 05 4 0 3 5 0 ( 1 0 0 ，1 0 0 k H z ，2 0 0 r o T ) P h i l i p s4 0 0 0 4 0 ) 4 3 0 3 5 0 ( 1 4 0 4 C ，1 0 0 k I - I z 。2 0 0 r o T ) 3 C
9、 9 31 8 0 05 2 0 3 6 0 ( 1 4 0 “ C )3 0 0 ( 1 4 0 。C ，5 0 0 k H z ，5 0 r o T ) 4 H 4 5 2 0 0 05 2 0 、 4 5 0 4 5 0 ( 1 0 0 ，1 0 0 k H z 。2 0 0 r o T ) F D K 4 H 4 7 1 2 0 05 3 04 7 0 6 5 0 ( 1 0 0 ，1 0 0 k H z ，2 0 0 r o T ) P C 4 7 2 5 0 05 3 0 4 2 0 2 5 0 ( 1 0 0 。1 0 0 k H z ，2 0 0 r o T ) T D KP
10、C 9 5 3 3 0 05 3 04 1 0 2 8 0 ( 8 0 ，1 0 0 k H z ，2 0 0 t o l d P C 9 0 2 2 0 05 4 04 5 0 3 2 0 ( 1 0 0 ，1 0 0 k H z ，2 0 0 r o T ) D M R 2 K P 2 0 0 05 2 04 5 0 4 5 0 ( 1 0 0 ，1 0 0 k H z ，2 0 0 r e r ) D N 旺 G D M R l 2 K H 1 2 0 05 3 04 7 0 1 5 0 ( 1 0 0 1 M H z , 3 0 m T ) C D M 限1 2 K B 1 2 0 0
11、5 2 04 5 0 1 5 0 ( 1 0 0 ，5 6 4 M H z ，2 5 r o T ) 降低，所以在改善直流叠加特性方面，各大公司的锰锌铁氧体材料除提高B s 外，还刻意追 求低B r ，特别是高温B r ，高温B r 值一般在5 0 6 0 m T ，目前东磁公司试验水平已降到3 0 r o T 。 有高温直流叠加特性要求的材料，其功耗谷点必然在高温，谷点处B r 值接近最低。因为 B r 岬曲线同P c v T 曲线趋势相近，而B s 则是随温度的升高而降低。所以，在配方和添加 物的选择上，必须充分考虑B r 和B s 不同的温度特性，不然，经常会出现高温B r 大于常温 B
12、 r 的情况，以致改善直流叠加特性的举措失败。表1 列出了各大公司最新推出的高B s 材 料性能。 2 低损耗、低失真特性 对于M n - Z n 铁氧体材料，降低损耗值是几代人不懈追求的课题。模拟通信年代，为保 证载波通信设备的稳定性，日本N E C T O K I N 公司最早用共沉淀法开发了优铁氧体2 0 0 1 F 和超优铁氧体1 0 0 0 S F 。“ 材料，其特点是uQ 乘积高( 1 0 0 0 S F 达1 2 5 1 0 6 ) ，比温度系数aF 及比减落系数D F s ，特别是磁滞常数nB 大大减小，因而通信系统总谐波失真T H D 值小。 uQ 乘积等于比损耗系数t g6
13、 ，ui 的倒数，是材料的本征特性之一，当磁心开具气隙后， 由于退磁作用，初始磁导率pi 降为有效磁导率u 。，其比值u 。，l li 称为降导比，按斯诺克公 式，磁心的uQ 乘积不变，所以开气隙磁心的有效Q 值及有效a 。、D F 及r l B 等均按降导比 的不同方次幂得到改善。近期，E P C O S 公司的N 4 8 材料( 接近于T O K I N 公司2 0 0 1 F ) 又焕 发生机，加上去年又出现了前文提及的N 4 5 和3 8 4 6 材料，这些高uQ 、低谐波失真材料被 赋予高B s 的新特征后，在强电和弱电领域独领风骚，正成为热销品种。东磁公司以 D M R 2 K D
14、 ( 相当于2 0 0 1 F 和N 4 8 ) 、D M R 4 K B Q t 8 1 ( 相当于N 4 5 和3 8 4 6 朋；损耗、低谐波失真 材料为基础，以提高磁导率、降低比损耗为核心，开发了一系列低损耗、低谐波失真材料， 如R 5 K B 、R 7 K B 、R 1 0 K D 、R 1 2 K F 、R 1 5 K T F 等兼顾多项性能的M n Z n 铁氧体磁心。详见 后文所附材料开发体系表。不同频率范围各种损耗所占比例不同，利用S Y 8 2 3 2B H 分析仪， 可在一定频率和磁通密度下对其进行分离。低频下，铁氧体材料以磁滞损耗为主，其值为 磁滞回线的面积与频率的乘积
15、，所以与矫顽力H c 的大小密切相关，配方中F e 2 0 3 含量增加， 可使H c 降低，因而磁滞损耗也相应降低。而高频下剩余损耗占主导地位，这种损耗是由 畴壁共振产生的，通过细化晶粒，减少畴壁，抑制畴壁共振，从而降低剩余损耗。另外， 配方中F b 2 0 3 含量增加，或者Z n O 含量减少，导致初始磁导率下降，使u ，f 特性的共振频 率移向高端，也可抑制剩余损耗。 1 3 涡流损耗与频率的二次方成正比，通过在晶界形成高电阻层可减小涡流损耗。一般认 为涡流损耗与电阻率成反比。在前述增大F e 2 0 3 含量以降低磁滞损耗和剩余损耗的措施中， 涡流损耗也可以随之降低。虽然，随着F e
16、 2 0 3 含量的增加，F e 2 + 的生成量也随之增加，F e 2 + F e n 之间的电子迁移加剧，会造成一定温度下电阻率下降，但是随着F e 2 0 3 含量的增加，功 耗随温度变化P c V _ T 曲线的谷点向低温移动，这个温度点( 谷点) 的磁心损耗值最小，因而其 直流电阻率也相应最大。 综上所述，合理选择配方，调整F e 2 0 3 含量，优选合适的添加物，可以使u T 曲线平 坦( 即K 1 一T 曲线平缓) ，获得平缓且低值的P c v - T 曲线，使材料在较宽温度范围保持低功耗。 在全面降低三种损耗、改善温度特性的同时，不少研究者【9 】都重点研究了磁滞常数r lB 的降 低方法，同时还研究了磁心形状和线圈结构与r 、B 三者联合作用对磁心电感总谐波失真 T H D 的影响。通过对T H D 的改进，推出了一系列低磁滞损耗材料。如日本早期推出的高 l J Q 材料优铁氧体2 0 0 1 F ，其h l o 为1 5 ：超优铁氧体1 0 0 0
