制造磁环功率知识

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1、制造磁环功率知识 http:/制造磁环功率知识 http:/制造磁环功率知识制造磁环功率知识高频开关电源变压器用 PC44、PC50 等功率铁氧体材料的高起始磁导率(i)、饱和磁通 密度(Bs)、低功率损耗(Rc)等特性要求，分别讨论了配方、添加物和烧结工艺等关键技术对 该类材料制备的影响。工作频率更高的PC44及PC50功率铁氧体材料和磁芯就是为适应这种需求而发展起来 的。铁氧体磁环的性能并不是仅仅由其化学成分及晶体结构决定的， 还需要研究和控制它们 的密度、晶粒尺寸、气孔率以及它们在晶粒内部和晶粒之间的分布等。因此，制备高性能功 率铁氧体材料，配方是基础、烧结是关键。配方和密度决定着材料的

2、饱和磁通密度 Bs(功率 铁氧体磁芯通常工作于有直流偏置场的状态下，高 Bs 是为了保证磁芯具有高直流叠加特性 的需要)和居里温度(fc)，而掺入有效的添加物并与适当的烧结工艺相匹配，则对铁氧体的性 能具有决定意义，影响着固相反应的程度及最后的相组成、密度和晶粒大小等，使软磁铁氧 体的微观结构得到更有效的控制，从而确保材料的主要特性参数达到和谐的统一。1 1 1 1 高性能功率铁氧体的主配方选择高性能功率铁氧体的主配方选择为了提高功率转换效率并避免饱和， 要求用在高频开关电源变压器中的功率铁氧体材料 具有高 Bs、高起始磁导率(i)和高振幅磁导率(a)，同时为了避免变压器在高频下发热击穿， 材

3、料的功率损耗(Rc)应尽量小，希望呈负的温度系数。可以说，衡量功率铁氧体材料优劣的 3 个重要磁性能参数是i、曰 Bs 和 Rc 以及这些参数的频率、温度和时间稳定性，它们之间 是一个矛盾的统一体， 某些参数甚至严重对立， 将它们有机统一的总体思路是控制磁晶各向 异性常数 K1t 曲线及铁氧体的微观结构，在配方、添加物和烧结工艺上使 K1 有一个好的温度特性，将 K1 的最小值调节到合适的位置，并使其趋向于零。i 的大小对磁芯具有高电感因数(AL)的贡献最为直接，因此，保证铁氧体有较高的i 值是必须的。但另一方面，i 与材料截止频率 fr 之间相互制约，提高材料的使用频率与提 高i 是相互对立

4、的，在实际材料中只能相互兼顾。就功率铁氧体的 Bs 鼠和居里温度 tc 来说，是由配方和密度决定的。对于功率铁氧体的 主配方，国内外软磁科研工作者已做了较深入的系统研究，并把它制成相图(无添加物)的形 式使之更直观地表现出来。经过多年研究，进一步在 Mnzn 铁氧体成分相图中划定了取值 区域，其中心位置配方约为：FezO3：MnO：znO=535：365：10(摩尔分数)，这与国内 许多企业 PC44 的主配方 FezO3：MnO：ZnO=533：365：1O2(摩尔分数)基本一致。 就 PC44、PC50 而言，由于其 Bs 都比较高，必须采用过 Fe 配方，因为 Fe2O3，含量在(51

5、55)mO1范围内，Bs 随 Fe2O3 含量的增加而增大(反之，ZnO 含量过多则会造成材料高温， 或者 Bs 和 tc 的下降)。最佳的配方组合可通过正交工艺试验，结合加杂和烧结工艺形式优 选确定。2 2 2 2 高性能功率铁氧体的添加物选择高性能功率铁氧体的添加物选择制造磁环功率知识 http:/制造磁环功率知识 http:/功率铁氧体的化学成分不是决定铁氧体性质的唯一因素， 阳离子和晶点缺陷在晶位中的 分布起着头等重要的作用。 通过掺入添加物和工艺调整来改善铁氧体的微观结构， 更有助于 使材料的主要特性参数达到和谐的统一。根据基础磁学理论，功率铁氧体材料的截止频率 fr 与铁氧体的晶粒

6、大小 d 右式关系。式中：Ms 为材料的饱和磁化强度；为阻尼系数。由式可知， ，与 d(1 一 1)成反比例关系，所以，通过掺入添加物和烧结工艺的调整使晶 粒细化，减小晶粒尺寸，可以提高材料的截止频率(也就提高了其工作频率)。但晶粒尺寸的 无限减小，必定增大功率损耗。另一方面，1 的高低(与烧结温度有较大关系)也关系到 fr 的大小。对通常工作在几百 kHz 高频下的 PC44、PC50 材料而言，功率损耗主要由磁滞损耗 Rh 和涡流损耗 Pe 两部分组成。由于 hocBm3(Bm 为工作磁通密度)，可见为降低 Ph,材料的 Bs 要高，成分的均匀性要好(采用高纯原材料)，同时必须改善晶粒大小

7、的一致性并提高材料密 度，尽量减小内应力。Pe=(丌 24)r2lf2Bm2p式中：r 为平均晶粒尺寸；p 为电阻率。可见，在高频下降低材料功率损耗主要有两条途径：提高电阻率；控制铁氧体的晶粒在 最佳状态范围内(晶粒过小，Pe 会变小，但 Ph 会增大)。控制晶粒大小和电阻率的最有效办法是合理地掺人添加物和改善烧结工艺。 众所周知， 掺入一些有益的添加物如 Sn02、TiO2、Co2O3 等，可进一步控制材料的 K1 值，使其在较 宽的温度范围内变得很小；复合添加 CaO 和 SiO2，可增大材料的电阻率、降低材料的功率 损耗。实际上，对 Mnzn 铁氧体性能提高有实用价值的添加物较多，它们的

8、主要作用可分 为 3 类：第一类添加物在晶界处偏析，影响晶界电阻率；第二类影响铁氧体烧结时的微观结 构变化，通过烧结温度和氧含量的控制可改善微观结构，降低功率损耗、提高材料磁导率的 温度和时间稳定性、扩展频率等；第三类则固溶于尖晶石结构之中，影响材料磁性能。Ca、 Si 等元素的添加物属第一类和第二类；Bi、Mo、V、P 等元素属第二类；_Ti、Cr、C0、Al、 Mg、Ni、Cu、Sn 等元素的主要作用属第三类。MoO， 、CuO 等 6 种添加物对 Mnzn 铁氧体磁导率的影响，其中1 和分别表示未掺 添加物和掺入了少量添加物的铁氧体的磁导率； 掺入 SiO2 对 MnZn 铁氧体磁导率的

9、影响； TiO2 添加量对 MnZn 铁氧体i 一 t 曲线的影响； (a)与(b)分别示出的是复合添加 SiO2、 CaO 一对 Mnzn 铁氧体在 100 kHz 时的电阻率和比损耗系数(tan6i)的影响。在开发 SBlM(相当于 PC50)材料时，发现通用的复合添加物 SiO2CaO 有一部分会在 晶粒内溶解，从而增大磁滞损耗，在 500 kHz1MHz 条件下，其降低功率损耗的效果并不制造磁环功率知识 http:/制造磁环功率知识 http:/好。为此，他们开展了卓有成效的研究工作，期望找出不使磁滞损耗增大的更有效提高电阻 率的添加物。表 l 列出了他们的研究成果，在这 8 种添加物

10、中，Al2O3、SnO2、TiO2 都溶 解于晶粒内，几乎看不到有提高电阻率的效果，其它添加物主要在晶界内游离。这些添加物 中，HfO2 对提高电阻率最为显著2，其降低涡流损耗效果最佳。在开发高性能功率铁氧体材料时， 要充分利用前人的成果， 不要花过多精力浪费在配方 和添加物的摸索上。总的配方和掺杂原则是尽可能地使磁晶各向异性常数 K1 和磁致伸缩常 数s 趋近于零。选择添加物要注意以下原则：1)掺入添加物总量(wt)应控制在 O2以下； 2)CaO(或 CaCO3)和 SiO2 通常是不可或缺的添加物； 3)V2O5、Nb205、_Ti02、Ta2O5、HfO2、CO2O3 等高价离子组合添

11、加，组分不宜过多，最 好不超过 4 种，每种添加物的重量一般应控制在 1000ppm，以下； 4)在上述各添加物中，除了 Co3 子外，其它离子的 K1 值都是负值，开发的 3F3 材料(介于 PC40 和 PC50 之间的一种材料)， 基本技术要点就是同时添加了 Ti4 和 C03 以控制材料的温 度特性，减少磁滞损耗。3 3 3 3 高性能功率铁氧体的烧结工艺高性能功率铁氧体的烧结工艺烧结是制备高性能功率铁氧体材料的关键工序。在烧结过程中，升降温速度、最高烧结 温度和炉内气氛是该工序中必须严格控制的 3 个关键因素，它们对铁氧体材料的微观结构、 化学成分及电磁性能等参数都有很大影响。合适的

12、烧结工艺应根据原材料配方及添加物情 况、预烧温度、窑炉结构及长度、降温方式、功率铁氧体的性能取舍等综合确定，并通过材 料的最终性能来进行工艺验证和判定。升温速度对铁氧体产品的密度、 晶粒大小及均匀性有直接关系， 升温速度过快将使晶粒 尺寸不均匀， 内部存在较多的气孔； 升温速度太慢， 则烧成的铁氧体密度低， 气孔明显增大。 为了得到晶粒小而均匀(PC40 材料，晶粒约为 1014m，PC50 材料，晶粒约为 36m)、 气孔少、密度高、无开裂缺陷的铁氧体，600以下升温不宦过快，600900可快一些， 900l100为晶粒初生阶段，宜平稳升温，同时采取致密化措施处理，1100以上可稍快 一些，

13、 最高烧结温度不大于 1 350(为限制晶粒尺寸)， 保温时间 34h 即可， 然后在氮气(N2) 保护下选择合适的氧分压降温。在 9001100左右采取致密化措施是十分必要的，其目的是降低铁氧体中的气孔率。 特别在意 9001100之间的升温速率和周围气氛的控制，他认为这个阶段是保证铁氧体获 得好的微观结构的关键，对 PC44、PC50 等高性能功率铁氧体的制备，该阶段的控制尤为重 要。通常采取的致密化措施是从 900 平稳升温至 l100，再保温 1h，同时充入适量的 N2 以控制氧分压。这可使铁氧体的表观密度迅速达到真实密度的 99，而且大多数气孔是停 留在晶界上。当然，在 1000以下

14、的升温段，保证窑炉内有足够的氧含量及废气排气管道 的畅通也是非常重要的。在降温阶段会引起铁氧体的氧化或还原，通过加入适量的 N2 保护气氛以控制窑炉内的 氧分压，是为了防止铁氧体在冷却过程中 Mn、Fe、CoCu 等离子变价、产生脱溶物、引起 晶格变化等。过度的氧化与还原，就有另相如 a-Fez03、Fe0、Fe3O4、Mn203 析出，从而导 致磁性能的急剧恶化。图 7 是配方为 Fe2O3：MnO：ZnO=519：268：18. 3(mol)的功制造磁环功率知识 http:/制造磁环功率知识 http:/率铁氧体平衡气氛相图，看出气氛对尖晶石相和 Fe2O3 相界内氧化状态的重要性。要特别 注意， 先沿等成分线冷却， 接着在最低的温度下通过相界迅速冷却， 这时生长动力学不敏感， 使 a-Fe203 的脱溶最少，氧化和生成另相的程度最轻。功率铁氧体的典型烧结工艺曲线。4 4 4 4 结语结语1)制备 PC44、PC50 等高性能功率铁氧体材料，配方是基础、烧结是关键。2)总的配方和掺杂原则是尽可能使磁晶各向异性常数 K1 和磁致伸缩常数 s 趋近于零。3)掺入适量的添加物如 Ca0、SiO2、V2OS、Ti02、Co203 等，并与合适的烧结工艺相匹配，可改吾高性能功率铁氧体材料的微观结构，对提高材料综合性能的作用更为突出。