高性能电源用软磁功率铁氧体材料及磁芯元件的现状与发展
2003-09-01 16:50:04
来源：《国际电子变压器》2003.9
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高性能电源用软磁功率铁氧体材料及磁芯元件的现状与发展
1 前言
随着信息产业技术的迅猛发展，在具有商业意义的电源用功率铁氧体材料领域，所有新材料体系的发展都涉及到材料磁导率和控制材料损耗这一课题。因为在整机应用时要进一步降低低功率转换信号传输所产生的各种能量损耗，要求最强烈的就是开关电源用功率铁氧体材料及磁芯元件，为满足电源制造企业的市场需求，赢得最大的市场占有率，磁材行业竞相研制开发适合于上述要求的新材料和新产品。本文就目前电源用功率铁氧体材料体系现状及今后的发展方向做了综述。
2 电源对软磁功率铁氧体材料及磁芯元件的基本要求
开关电源的出现是电源技术的一场革命，这种新型的功率器件由最初用于电视机的行输出变压器，到目前已广泛的应用于计算机、通信、航空航天、照明和家用视频系统等技术领域。进入二十一世纪，现代电子工业的生产已全面进入自动化阶段。因而，对现代电源用软磁功率铁氧体材料及磁芯元件提出了越来越高的要求。这些材料及磁芯元件必须具备下列要求：
2.1 电源用功率铁氧体材料的要求
a.须具有较高的初始磁导率（μi）和振幅磁导率（μa）；
b.为使电源系统在高温（100℃）较大迭加直流场下保持良好特性具有高的饱和磁通密度（Bs）和低的剩余磁通密度（Br），以及高的表观密度（d）和高的居里温度（Tc）；
c.在较高频率（100kHz～1000kHz）高磁通（50mT～200mT）状态和温变（25℃～120℃）工作条件下，为缩减电源体积，提高电源效率，须具有极低的磁芯损耗（Pc），以保证整机的传输功率。
2.2 对磁芯元件的要求
a.具有最佳的电磁性能以及性能的一致性；
b.具有精确的机械尺寸以及足够的机械强度；
c.具有良好的工艺质量和外观质量。
只有具备上述要求的软磁材料及磁芯元件，才能满足现代电源的需求。
3 目前电源用软磁功率铁氧体材料市场最为需求的材料体系及磁芯元件
3.1 主要材料体系
随着开关电源市场的不断发展，电源功率铁氧体材料的品种也在不断增加，为满足电源市场的需求，国内外磁性材料专业制造企业纷纷研究和开发该类型材料，建立和完善自己企业的材料体系，以实现产业化生产，赢得最大的市场占有率。
对国内外电源市场的状况进行分析，目前需求量较大的电源用功率铁氧体材料品种主要有下列材料体系，见表1。
表1叙述了这些材料的主要特征、性能指标、发布年代以及对应于国外著名企业的材料牌号。
3.2 功率铁氧体材料的主要应用领域及典型产品
a.JP4型材料
JP4A材料是目前电源用需求量较大的功率材料之一，也是用于电源变压器磁芯的主导材料。该材料制成的各种磁芯元件使用频率在（100kHz-500kHz）范围，主要用于功率变压器，由于功率变压器通常工作在损耗特性和饱和特性受限制的条件之下，所以该材料具有高Bs低Pc的特性功率材料且损耗谷点温度TP较高（100℃）。确定磁芯的功率处理能力由频率、尺寸、可利用的绕线面积及其它一些与特定用途有关的因素来决定。环境温度和最高磁芯温度决定了最大温升，最大温升决定了变压器允许总耗散功率。正常情况假定最高环境温度为60℃，磁芯TP为100℃，则允许变压器中心较周围环境存在40℃温升。所以该材料制成的各种磁芯元件用于功率变压器具有较低的温升可有效的保证整机的传输功率。
典型产品：EE、EC、EFD、EPC、RM、PQ型等磁芯系列。
b.JP4B型材料
JP4B型材料是目前电源用最先进的功率铁氧体材料，金宁三环公司2000年在国内首先实现了产业化生产，其性能主要指标磁芯损耗（100℃、100kHz、200mT、Pc≤300mW/cm3），较传统型电源材料，JP4A型下降了近30%。该材料用于电源时可有效的抑制温升，缩减体积和重量，是现代电子设备电源用最佳功率变压器材料。该材料制成的各种磁芯元件频率在100kHz-500kHz范围，这一材料的问世极大的满足了现代电子设备制造厂商的需求，市场占有率迅速上升，有逐步取代传统型电源材料的趋势。该材料制成的磁芯元件是目前电源变压器较前位的磁芯品种，如背光照明用FI型磁芯系列、L型磁芯系列、UI型磁芯系列以及液晶显示用ECF型磁芯系列、EQC型磁芯系列、超薄型EE、EC、PQ、型系列。如图1所示：
这些磁芯元件须具有极低的磁芯损耗（Pc）。
c.JP4C型材料
JP4C型材料属室内电源用功率材料，在特定的环境温度下使用。磁芯损耗（Pc）曲线的谷峰（TP）在60℃～80℃之间具有极低的磁芯损耗。目前有一定的市场需求，随着电源市场的进一步发展，该类材料将会有更大的需求。
典型产品：小尺寸EC、EPC、EFD型等系列磁芯。
d.JP4D型材料
JP4D型材料属室内电源用功率材料，在特定的环境温度下使用，磁芯损耗（Pc）曲线的谷峰（TP）在40℃～50℃之间，具有极低的磁芯损耗。通常情况下，电源变压器采用推挽式变换电路设计时使用该材料制成的磁芯元件。目前有一定的市场需求。
典型产品：小尺寸EC、EFD、UI型等系列磁芯。
e.JP4E型材料
JP4E型电源用功率铁氧体材料目前国内外主要铁氧体制造企业正在加紧开发之中，通过先进的配方设计，优化原料结构。采用独特的加杂方式，改善粉末制作技术和烧结条件，控制晶粒结构、晶粒尺寸、减少剩余应力来降低磁芯总损耗。
该材料的主要设计指标具有超极低的磁芯损耗Pc（80℃、100kHz、200mT、Pc≤200mW/cm3），用于电源变压器时，可有效地抑制温升，保证电源变压器有足够的传输功率，使其体积减小、重量减轻、效率提高，将会对电源技术带来一次质的飞跃。该材料产业化生产将会取代目前100kHz～500kHz频段内的功率材料体系。图2示出了JP4A型、JP4B型、JP4C型、JP4D型以及JP4E型材料的Pc-T曲线图。
f.JP5型材料
JP5型材料属超高频电源用功率铁氧体材料，使用频率范围500kHz-1000kHz，在此频率范围内具有低的磁芯损耗，该材料制作的磁芯大多为薄型或超薄型磁芯，如图3示。
由于这种多层抑制线圈基板的变压器已达到了实用化，安装高度较低，而且结合牢固，容易减少高频时趋肤效应，加之散热面积大温升慢适合于高频应用。在电源技术应用方面因受其它电子元件的限制，该材料还没有形成较大的市场需求。
图4示出了JP5型材料的Pc-T曲线图。
g.JP3.5k型材料
JP3.5k电源用功率铁氧体材料具有较高的初始磁导率（μi=3500）和低的磁芯损耗（25kHz、200mT、100℃、Pc≤120mW/cm3）使用频率范围在25kHz-100kHz，在许多电子电路中都用小型变压器驱动或触发晶体管、可控硅或MOS场效应管，这是一种获得电绝缘安全性，提供同步或反转驱动脉冲的便利方法。有些驱动变压器在小信号下工作，但在大多数情况下工作条件恶劣。材料的选择和电路设计取决于驱动条件和工作频率高，高磁导率材料较适用于低功率场合，更恶劣的工作条件则宜用功率材料。该类型的功率材料目前市场需求较大。
典型产品：EI型、EE型等系列磁芯。
图5示出了JP3.5K型材料的Pc-T曲线。
h.JP5K型材料
JP5K型材料是现代数字网络宽带变压器和电源变压器用的新型高磁导率功率铁氧体材料。这种材料具有高的初始磁导率（μi=5000）高的饱和磁通密度（Bs=500mT，H=1194A/m），高的居里温度（TC=200℃）和低的磁芯损耗（100kHz、200mT、100℃、Pc≤700mW/cm3），在未来通讯技术中，JP5K型材料集高磁导率材料和功率材料于一体，应用领域将非常广阔。
图6示出了JP5K型材料的Pc-T曲线图。
上述材料体系将是现代电源技术应用领域乃至今后一段时期的主导材料。
4 制造工艺
4.1粉料制备工艺
a.对原材料的基本要求
国外软磁铁氧体专业制造企业都非常强调高纯原材料对于低损耗特性的重要意义。我们的实验表明，含有较多杂质的原材料极易诱发巨晶，由于巨晶的出现，磁芯损耗扩大，电阻率下降，从而引发综合电磁性能的恶化。所以原材料（Fe2O3、MnO、ZnO）要求高度纯净。
另外，三种原材料的活性要适配，控制和选择原料的比表面积SSA（m2/g）值也是非常重要的。
b.对主成份的基本要求
上述材料体系的主成份在Fe2O3-MnO-ZnO成份图上位于具有低磁滞损耗的“等导磁区域”内，Fe2O3含量的选择着重考虑了饱和磁通密度Bs和最小磁芯损耗谷点温度TP，ZnO的含量可依据材料的居里温度
c.对添加物的基本要求
添加物对Mn-Zn铁氧体微观结构的影响是非常明显的。其作用可分作三类。第一类添加物在晶界处偏折，影响晶界电阻率；第二类影响烧结时微观结构的变化；第三类则溶于尖晶石结构之中，影响磁性能，选择合适的添加物在高频功率铁氧体中能提高晶界电阻率，降低涡流损耗，改善铁氧体的微观结构，使其综合性能全面提高。
d.对粉料的基本要求
软磁铁氧体属脆性材料，与其它金属粉末材料相比可塑性不同，软磁铁氧体粉末在制造过程中力求提高粉料的可压塑性，使其凝聚成大小适度的颗粒和一定的松装密度（d），提高粉料的流动性。若粉料制备过程控制不当，在压制过程中会造成成型体密度分布不匀，甚至会导致成型体开裂，在烧结过程中容易产生内部裂纹。
综上所述，品质优良的粉料应具备合适的松装密度d，低的磁化度md，适配的粒度分布以及较好的粉末流动性。如图7示出了粉末流动性对成型的影响。
4.2 磁芯元件制造工艺
为达到现代软磁铁氧体元件的要求，磁芯元件的制造工艺也在不断改善，磁芯元件为获得精确的机械尺寸和良好的电磁特性，除高品质的粉料以外就是成型体（尺寸、外观、重量、密度）的质量控制，烧结工艺（尺寸、综合性能）的控制，研磨产品（电感量、尺寸、外观）的质量控制。
为获得良好的电磁特性，控制铁氧体烧结条件（温度曲线、气氛曲线、压力曲线）和磁芯的烧结状态以形成均匀、致密的晶粒结构，改善磁芯元件的损耗。在制造过程中值得注意的是烧结时温度与氧浓度的变化会对初始磁导率、品质因数、电阻率产生较大影响，由于这些特性特别依赖烧结温度和氧含量的变化，所以通过对烧结温度和氧含量的调整，能很好地解决产品的综合性能。在调整时应注意，随着烧结温度时降低，必须相应降低氧含量。在不同的烧结温度下，存在尖晶石稳定态所要求的氧含量上限，若超过这一上限，则成为氧化过度，出现多相体。若氧含量降到下限被还原，析出多相体。即使在这个上下限范围内，由于氧化还原程度不同，Mn-Zn铁氧体中的二阶铁离子的含量也是变化的，对铁氧体的磁特性有很大影响，所以要精确的控制烧结温度和氧含量，并且在低温冷却时，要求有较低的氧含量。
5 结论
综上所述，通过粉料制备工艺和磁芯元件制造工艺调整烧结条件，改善晶界结构，控制晶粒尺寸，降低剩余应力以达到现代软磁电源用功率铁氧体磁芯所具备的综合特性。即，高的磁通密度（Bs）、高的居里点温度（TC）、高的表观密度（d）、高的机械强度（F）、超低磁芯损耗（Pc）以及优良的产品外观和精确机械尺寸，来满足目前竞争激烈的市场要求，这也是今后一段时期电源用功率铁氧体材料及磁芯的发展趋势。■
参考文献（略）
1 前言
随着信息产业技术的迅猛发展，在具有商业意义的电源用功率铁氧体材料领域，所有新材料体系的发展都涉及到材料磁导率和控制材料损耗这一课题。因为在整机应用时要进一步降低低功率转换信号传输所产生的各种能量损耗，要求最强烈的就是开关电源用功率铁氧体材料及磁芯元件，为满足电源制造企业的市场需求，赢得最大的市场占有率，磁材行业竞相研制开发适合于上述要求的新材料和新产品。本文就目前电源用功率铁氧体材料体系现状及今后的发展方向做了综述。
2 电源对软磁功率铁氧体材料及磁芯元件的基本要求
开关电源的出现是电源技术的一场革命，这种新型的功率器件由最初用于电视机的行输出变压器，到目前已广泛的应用于计算机、通信、航空航天、照明和家用视频系统等技术领域。进入二十一世纪，现代电子工业的生产已全面进入自动化阶段。因而，对现代电源用软磁功率铁氧体材料及磁芯元件提出了越来越高的要求。这些材料及磁芯元件必须具备下列要求：
2.1 电源用功率铁氧体材料的要求
a.须具有较高的初始磁导率（μi）和振幅磁导率（μa）；
b.为使电源系统在高温（100℃）较大迭加直流场下保持良好特性具有高的饱和磁通密度（Bs）和低的剩余磁通密度（Br），以及高的表观密度（d）和高的居里温度（Tc）；
c.在较高频率（100kHz～1000kHz）高磁通（50mT～200mT）状态和温变（25℃～120℃）工作条件下，为缩减电源体积，提高电源效率，须具有极低的磁芯损耗（Pc），以保证整机的传输功率。
2.2 对磁芯元件的要求
a.具有最佳的电磁性能以及性能的一致性；
b.具有精确的机械尺寸以及足够的机械强度；
c.具有良好的工艺质量和外观质量。
只有具备上述要求的软磁材料及磁芯元件，才能满足现代电源的需求。
3 目前电源用软磁功率铁氧体材料市场最为需求的材料体系及磁芯元件
3.1 主要材料体系
随着开关电源市场的不断发展，电源功率铁氧体材料的品种也在不断增加，为满足电源市场的需求，国内外磁性材料专业制造企业纷纷研究和开发该类型材料，建立和完善自己企业的材料体系，以实现产业化生产，赢得最大的市场占有率。
对国内外电源市场的状况进行分析，目前需求量较大的电源用功率铁氧体材料品种主要有下列材料体系，见表1。
表1叙述了这些材料的主要特征、性能指标、发布年代以及对应于国外著名企业的材料牌号。
3.2 功率铁氧体材料的主要应用领域及典型产品
a.JP4型材料
JP4A材料是目前电源用需求量较大的功率材料之一，也是用于电源变压器磁芯的主导材料。该材料制成的各种磁芯元件使用频率在（100kHz-500kHz）范围，主要用于功率变压器，由于功率变压器通常工作在损耗特性和饱和特性受限制的条件之下，所以该材料具有高Bs低Pc的特性功率材料且损耗谷点温度TP较高（100℃）。确定磁芯的功率处理能力由频率、尺寸、可利用的绕线面积及其它一些与特定用途有关的因素来决定。环境温度和最高磁芯温度决定了最大温升，最大温升决定了变压器允许总耗散功率。正常情况假定最高环境温度为60℃，磁芯TP为100℃，则允许变压器中心较周围环境存在40℃温升。所以该材料制成的各种磁芯元件用于功率变压器具有较低的温升可有效的保证整机的传输功率。
典型产品：EE、EC、EFD、EPC、RM、PQ型等磁芯系列。
b.JP4B型材料
JP4B型材料是目前电源用最先进的功率铁氧体材料，金宁三环公司2000年在国内首先实现了产业化生产，其性能主要指标磁芯损耗（100℃、100kHz、200mT、Pc≤300mW/cm3），较传统型电源材料，JP4A型下降了近30%。该材料用于电源时可有效的抑制温升，缩减体积和重量，是现代电子设备电源用最佳功率变压器材料。该材料制成的各种磁芯元件频率在100kHz-500kHz范围，这一材料的问世极大的满足了现代电子设备制造厂商的需求，市场占有率迅速上升，有逐步取代传统型电源材料的趋势。该材料制成的磁芯元件是目前电源变压器较前位的磁芯品种，如背光照明用FI型磁芯系列、L型磁芯系列、UI型磁芯系列以及液晶显示用ECF型磁芯系列、EQC型磁芯系列、超薄型EE、EC、PQ、型系列。如图1所示：
这些磁芯元件须具有极低的磁芯损耗（Pc）。
c.JP4C型材料
JP4C型材料属室内电源用功率材料，在特定的环境温度下使用。磁芯损耗（Pc）曲线的谷峰（TP）在60℃～80℃之间具有极低的磁芯损耗。目前有一定的市场需求，随着电源市场的进一步发展，该类材料将会有更大的需求。
典型产品：小尺寸EC、EPC、EFD型等系列磁芯。
d.JP4D型材料
JP4D型材料属室内电源用功率材料，在特定的环境温度下使用，磁芯损耗（Pc）曲线的谷峰（TP）在40℃～50℃之间，具有极低的磁芯损耗。通常情况下，电源变压器采用推挽式变换电路设计时使用该材料制成的磁芯元件。目前有一定的市场需求。
典型产品：小尺寸EC、EFD、UI型等系列磁芯。
e.JP4E型材料
JP4E型电源用功率铁氧体材料目前国内外主要铁氧体制造企业正在加紧开发之中，通过先进的配方设计，优化原料结构。采用独特的加杂方式，改善粉末制作技术和烧结条件，控制晶粒结构、晶粒尺寸、减少剩余应力来降低磁芯总损耗。
该材料的主要设计指标具有超极低的磁芯损耗Pc（80℃、100kHz、200mT、Pc≤200mW/cm3），用于电源变压器时，可有效地抑制温升，保证电源变压器有足够的传输功率，使其体积减小、重量减轻、效率提高，将会对电源技术带来一次质的飞跃。该材料产业化生产将会取代目前100kHz～500kHz频段内的功率材料体系。图2示出了JP4A型、JP4B型、JP4C型、JP4D型以及JP4E型材料的Pc-T曲线图。
f.JP5型材料
JP5型材料属超高频电源用功率铁氧体材料，使用频率范围500kHz-1000kHz，在此频率范围内具有低的磁芯损耗，该材料制作的磁芯大多为薄型或超薄型磁芯，如图3示。
由于这种多层抑制线圈基板的变压器已达到了实用化，安装高度较低，而且结合牢固，容易减少高频时趋肤效应，加之散热面积大温升慢适合于高频应用。在电源技术应用方面因受其它电子元件的限制，该材料还没有形成较大的市场需求。
图4示出了JP5型材料的Pc-T曲线图。
g.JP3.5k型材料
JP3.5k电源用功率铁氧体材料具有较高的初始磁导率（μi=3500）和低的磁芯损耗（25kHz、200mT、100℃、Pc≤120mW/cm3）使用频率范围在25kHz-100kHz，在许多电子电路中都用小型变压器驱动或触发晶体管、可控硅或MOS场效应管，这是一种获得电绝缘安全性，提供同步或反转驱动脉冲的便利方法。有些驱动变压器在小信号下工作，但在大多数情况下工作条件恶劣。材料的选择和电路设计取决于驱动条件和工作频率高，高磁导率材料较适用于低功率场合，更恶劣的工作条件则宜用功率材料。该类型的功率材料目前市场需求较大。
典型产品：EI型、EE型等系列磁芯。
图5示出了JP3.5K型材料的Pc-T曲线。
h.JP5K型材料
JP5K型材料是现代数字网络宽带变压器和电源变压器用的新型高磁导率功率铁氧体材料。这种材料具有高的初始磁导率（μi=5000）高的饱和磁通密度（Bs=500mT，H=1194A/m），高的居里温度（TC=200℃）和低的磁芯损耗（100kHz、200mT、100℃、Pc≤700mW/cm3），在未来通讯技术中，JP5K型材料集高磁导率材料和功率材料于一体，应用领域将非常广阔。
图6示出了JP5K型材料的Pc-T曲线图。
上述材料体系将是现代电源技术应用领域乃至今后一段时期的主导材料。
4 制造工艺
4.1粉料制备工艺
a.对原材料的基本要求
国外软磁铁氧体专业制造企业都非常强调高纯原材料对于低损耗特性的重要意义。我们的实验表明，含有较多杂质的原材料极易诱发巨晶，由于巨晶的出现，磁芯损耗扩大，电阻率下降，从而引发综合电磁性能的恶化。所以原材料（Fe2O3、MnO、ZnO）要求高度纯净。
另外，三种原材料的活性要适配，控制和选择原料的比表面积SSA（m2/g）值也是非常重要的。
b.对主成份的基本要求
上述材料体系的主成份在Fe2O3-MnO-ZnO成份图上位于具有低磁滞损耗的“等导磁区域”内，Fe2O3含量的选择着重考虑了饱和磁通密度Bs和最小磁芯损耗谷点温度TP，ZnO的含量可依据材料的居里温度
c.对添加物的基本要求
添加物对Mn-Zn铁氧体微观结构的影响是非常明显的。其作用可分作三类。第一类添加物在晶界处偏折，影响晶界电阻率；第二类影响烧结时微观结构的变化；第三类则溶于尖晶石结构之中，影响磁性能，选择合适的添加物在高频功率铁氧体中能提高晶界电阻率，降低涡流损耗，改善铁氧体的微观结构，使其综合性能全面提高。
d.对粉料的基本要求
软磁铁氧体属脆性材料，与其它金属粉末材料相比可塑性不同，软磁铁氧体粉末在制造过程中力求提高粉料的可压塑性，使其凝聚成大小适度的颗粒和一定的松装密度（d），提高粉料的流动性。若粉料制备过程控制不当，在压制过程中会造成成型体密度分布不匀，甚至会导致成型体开裂，在烧结过程中容易产生内部裂纹。
综上所述，品质优良的粉料应具备合适的松装密度d，低的磁化度md，适配的粒度分布以及较好的粉末流动性。如图7示出了粉末流动性对成型的影响。
4.2 磁芯元件制造工艺
为达到现代软磁铁氧体元件的要求，磁芯元件的制造工艺也在不断改善，磁芯元件为获得精确的机械尺寸和良好的电磁特性，除高品质的粉料以外就是成型体（尺寸、外观、重量、密度）的质量控制，烧结工艺（尺寸、综合性能）的控制，研磨产品（电感量、尺寸、外观）的质量控制。
为获得良好的电磁特性，控制铁氧体烧结条件（温度曲线、气氛曲线、压力曲线）和磁芯的烧结状态以形成均匀、致密的晶粒结构，改善磁芯元件的损耗。在制造过程中值得注意的是烧结时温度与氧浓度的变化会对初始磁导率、品质因数、电阻率产生较大影响，由于这些特性特别依赖烧结温度和氧含量的变化，所以通过对烧结温度和氧含量的调整，能很好地解决产品的综合性能。在调整时应注意，随着烧结温度时降低，必须相应降低氧含量。在不同的烧结温度下，存在尖晶石稳定态所要求的氧含量上限，若超过这一上限，则成为氧化过度，出现多相体。若氧含量降到下限被还原，析出多相体。即使在这个上下限范围内，由于氧化还原程度不同，Mn-Zn铁氧体中的二阶铁离子的含量也是变化的，对铁氧体的磁特性有很大影响，所以要精确的控制烧结温度和氧含量，并且在低温冷却时，要求有较低的氧含量。
5 结论
综上所述，通过粉料制备工艺和磁芯元件制造工艺调整烧结条件，改善晶界结构，控制晶粒尺寸，降低剩余应力以达到现代软磁电源用功率铁氧体磁芯所具备的综合特性。即，高的磁通密度（Bs）、高的居里点温度（TC）、高的表观密度（d）、高的机械强度（F）、超低磁芯损耗（Pc）以及优良的产品外观和精确机械尺寸，来满足目前竞争激烈的市场要求，这也是今后一段时期电源用功率铁氧体材料及磁芯的发展趋势。■
参考文献（略）
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