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1、1锰锌铁氧体材料技术性能的拓展刘九皋 1,2 傅晓敏 2( 1 中国计量学院东磁研究院 浙江杭州 310018 )(2 横店集团东磁股份有限公司 浙江东阳 322118)摘 要：综述了近两年来世界各大公司锰锌铁氧体材料技术特性日新月异的进步，指出了该材料系列三大板块(高 ，高 Bs 低功耗，高 Q)相互交叉，求新求全发展的动向，总结了新材料两宽(宽温，宽频)、两高(高饱和磁通密度，高直流叠加性能) 、两低( 低损耗或低功耗，低谐波失真)的技术特点，提出了以现有材料体系为基础的研发思路。关键词：软磁铁氧体材料 宽频 宽温 直流叠加 低谐波失真Development of Mn-Zn ferrit
2、e in magnetic propertiesLIU Jiu-gao1,2, FU Xiao-min21. Research Institute of DMEGC, China Institute of Metrology, Hangzhou 310018, China;2. Dongyang Magnetic enterprise group Co.LTD, Dongyang 322118, ChinaAbstract: In this paper, the latest development of Mn-Zn ferrites of some main enterprises in t
3、he world was summarized. This material series mainly have three part: high permeability, high Bs low power loss and high Q, which are crossing each other. The main characteristics of their development are “two wide” (wide temperature range, wide frequency range), “two high” (high Bs, high DC-bias pe
4、rformance) and “two low” (low loss, low Total Harmonic Distortion (THD). In addition, the developing direction of Mn-Zn ferrite was proposed, which was based on the existing Mn-Zn ferrite. Key words: Soft ferrite materials; wide frequency; wide temperature; DC-bias; Low THD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
5、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 IT 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 1。这就是要求材料具有更高的饱和磁通密度 Bs，更好的直流叠加特性，更低的比损耗系数 tg/i(包括高磁通密度下的功耗 Pc)和总谐波失真系数 (THD)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 Bs、高 DC-Bias 性能)、两低( 低的比损耗系数 tg/i 或 Pc、低谐波失真 THD)兼具的特点。一、高 Bs、高 DC-Bia
6、s 特性高 Bs 材料也就是功率铁氧体材料，其饱和磁通密度 Bs 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 Mn-Zn 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，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 80%，提高 Bs 的途径不外乎调整工艺，如提高磁心密度和优选配方2及
7、有效添加物。近两年来，国内外厂家在提高 Bs，特别是高温 Bs 方面，不遗余力的推陈出新，取得了不少出色的成果 25。如德国 EPCOS 和荷兰 Philips 公司去年推出的 N45 和 3B46 材料，其常温 Bs 为550mT，100时为 435mT；荷兰 Philips 公司改进后的 3C92 材料，常温 Bs 为 540mT，100时达460mT，140时尚达 400mT；日本 FDK 公司去年推出的 4H45 和 4H47 材料，100时 Bs 分别为 450mT和 470mT；日本 TDK 公司去年推出 PC95 后，今年又适应市场需求推出了宽温高 Bs PC90 材料，其常温
8、Bs为 540mT，100时为 450mT，且 100kHz、200mT、100状态下功耗为 320mW/cm3；东磁公司 DMR2KP及 DMR1.2KH 材料高温 Bs 分别为 460mT 和 470mT，已接近 FDK 公司 4H47 和 Philips 公司 3C92 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，使出了浑身解数。高 材料常温 Bs 值也刷新到了 430450mT 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，Bs，特别是高温 Bs 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
9、性，是指以下几个方面：在材料的 HDC 性能曲线上，增量磁导率 (或称叠加磁导率)开始下降的临界直流磁场要高，即材料 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， 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 125，Philips 公司 3C93 材料已实现140功耗谷点和相应的 Bs 要求。而直流叠加特性的改善，除上述高 Bs 要求外，还应得益于剩余磁通密度Br 值的降低。理论和实践证明 6，只有提高
10、Bs 同时降低 Br，即增大 B 值，使材料的磁滞回线倾斜成恒导型，才具有良好的 DC-Bias 特性。材料制造商明白，Bs 受到理论值上限的约束，已无多少提高的余地，而Br 却可通过多种途径进一步降低，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 Bs 外，还刻意追求低 Br，特别是高温 Br，高温 Br 值一般在 5060mT，目前东磁公司试验水平已降到 30mT。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 Br 值接近最低。因为 BrT 曲线同 PcvT 曲线趋势相近，而 Bs 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 Br 和 B
11、s 不同的温度特性，不然，经常会出现高温 Br 大于常温 Br 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 Bs 材料性能。表 1 世界名大公司最新推出的高 Bs 材料性能表公司 牌号初始磁导率i常温(25 )Bs/mT高温(100)Bs/mT 谷点功耗/mWcm-3EPCOS N45 3800 550 435 tg/i 210-6(100kHz,25)3B46 3800 545 435 tg/i 1.610-6(100kHz,25)3C92 1500 540 460400(140) 350(100,100kHz,200mT)Philips3C93 1800 52
12、0 430360(140) 350(140,100kHz,200mT)300(140,500kHz,50mT)FDK 4H45 2000 520 450 450(100,100kHz,200mT)34H47 1200 530 470 650(100,100kHz,200mT)PC47 2500 530 420 250(100,100kHz,200mT)PC95 3300 530 410 280(80,100kHz,200mT)TDKPC90 2200 540 450 320(100,100kHz,200mT)DMR2KP 2000 520 450 450(100,100kHz,200mT)DM
13、R1.2KH 1200 530 470 150(100,1MHz,30mT)DMEGCDMR1.2KB 1200 520 450 150(100,5.64MHz,2.5mT)二、低损耗、低失真特性对于 Mn-Zn 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 NEC/TOKIN 公司最早用共沉淀法开发了优铁氧体 2001F 和超优铁氧体 1000SF7 材料，其特点是 Q 乘积高 (1000SF 达 1.25106)，比温度系数 F 及比减落系数 DF 小，特别是磁滞常数 B 大大减小，因而通信系统总谐波失真 THD 值小。Q 乘积等于比损耗系数
14、 tg/i 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 i 降为有效磁导率 e，其比值 e/i 称为降导比，按斯诺克公式，磁心的 Q 乘积不变，所以开气隙磁心的有效 Q 值及有效 、D F 及 B 等均按降导比的不同方次幂得到改善。近期， EPCOS 公司的 N48材料(接近于 TOKIN 公司 2001F)又焕发生机，加上去年又出现了前文提及的 N45 和 3B46 材料，这些高Q、低谐波失真材料被赋予高 Bs 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DMR2KD(相当于 2001F 和 N48)、DMR4KBQ 8(相当于 N45 和
15、3B46)低损耗、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R5KB、R7KB、R10KD、R12KF、R15KTF 等兼顾多项性能的 Mn-Zn 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 SY8232 BH 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，所以与矫顽力 Hc的大小密切相关，配方中 Fe2O3 含量增加，可使 Hc 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
16、制畴壁共振，从而降低剩余损耗。另外，配方中 Fe2O3 含量增加，或者 ZnO 含量减少，导致初始磁导率下降，使 f 特性的共振频率移向高端，也可抑制剩余损耗。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 Fe2O3 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 Fe2O3 含量的增加，Fe 2+的生成量也随之增加，Fe 2+ Fe3+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 Fe2O3 含量的增加，功耗随温度变化 Pcv-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 Fe2O3 含量，优选合适的添加物，可以使 -T 曲线平坦(即 K1-T 曲线平缓)，获得平缓且低值的 Pc
