锰锌铁氧体的发展

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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（高口，高Bs低功耗，高口 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 ferrite

2、in magnetic properties1,2 2LIU Jiu-gao 1,2, FU Xiao-min 21. 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

3、 in the world was summarized. This material series mainly have three part: high permeability, high Bs low power loss and high which are crossing each other. The main characteristics of their development are “ twowide ”（wide temperature range, wide frequency range）,“two high ” （high-bBiass, pheigrhfo

4、DrmCance） and “two low ” （low loss, low TotaHarmonic 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术性

5、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 3 /（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 3 /或Pc、低谐波失真THD）兼具的特点。一、高Bs、高DC-Bias特性高Bs材料也就是功率铁

6、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及有效添加物。近两年来，国内外厂家

7、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, 100C时为 435mT;荷兰Philips公司改进后的3C92材料，常温 Bs为540mT , 100C时达460mT, 140C时尚达400mT; 日本FDK公司去年推出的 4H45和4H47材料，100 C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Bs为540mT, 100C时为450mT，且100kHz、200mT、100

8、C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。高口材料常温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。所谓高直流叠加特性，是指以下几个方面：在材料的必Hdc性能曲线上，增量磁导率 必（或称叠加磁导率）开始下降的临界直流磁场要高，

9、即材料g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，必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125C, Philips公司3C93材料已实现140C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Bs同时降低Br，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DC-Bias特性。材料制造商明白，Bs受到理

10、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夕卜，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Bs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

11、的高Bs材料性能表公司牌号初始磁导 率（Ji常温(25 C)Bs/mT高温(100 C)Bs/mT谷点功耗/mW cm-3EPCOSN453800550435tg S /2凶 0-6(100kHz,25 C )3B463800545435tg S /1 逅 X0-6(100kHz,25 C)Philips3C921500540460400(140 C )350(100 C ,100kHz,200mT)3C931800520430350(140 C ,100kHz,200mT)360(140 C )300(140 C ,500kHz,50mT)FDK4H452000520450450(100 C

12、 ,100kHz,200mT)4H471200530470650(100 C ,100kHz,200mT)TDKPC472500530420250(100 C ,100kHz,200mT)PC953300530410280(80 C ,100kHz,200mT)PC902200540450320(100 C ,100kHz,200mT)DMEGCDMR2KP2000520450450(100 C ,100kHz,200mT)DMR1.2KH1200530470150(100 C ,1MHz,30mT)DMR1.2KB1200520450150(100 C ,5.64MHz,2.5mT)二、低损

13、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，其特点是口 Q乘积高（1000SF达1.25 X106），比温度系数 a及比减落系数Df小，特别是磁滞常数 n大大减小， 因而通信系统总谐波失真 THD值小。口 Q乘积等于比损耗系数 tg 3 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， 初始磁导率口降为有效磁导率 口e其比值 诃诉称为降导比，按斯诺克公式，磁心的口Q乘积不变，所以开气隙磁心的有效Q值及有效

14、a、Df及n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 口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

15、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He的大小密切相关，配方中 Fe2O3含量增加，可使He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Fe2O3含量增加，或者ZnO含量减少，导致初始磁导率下降，使口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，Fe2+的生成量也随之增加，Fe2+ 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Pev-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