电子变压器用软磁合金的最新进展

用于电子线路的变压器统称为电子变压器，它们在电子线路中起着升压、降压、隔离、整流、变频、倒相、阻抗匹配、逆变、储能、滤波等作用，是不可缺少的重要部件。
为适应电力电子技术、微电子技术、计算机网络和多媒体技术、通信技术、音/视频数字技术以及高密度磁记录技术等的发展需要，电子变压器在性能上必须在工作频率越来越高的情况下（已达MHz，GHz）实现高效、高可靠、低损耗、低噪音等特性;在结构上正从传统变压器铁芯绕线圈发展为薄膜片式结构，短小轻薄，可实现模块化、片式化、集成化;在制作工艺上能适应高密度贴装技术和类似半导体的生产工艺，能实现高效、自动流水线生产。
电子变压器的性能、结构及其品种的扩大完全取决于其铁芯材料——软磁材料的发展。为适应电子变压器的上述发展趋势，就金属软磁材料而言，其性能正向超级化、综合化、多功能方向发展。当前开发研究的重点已由三维大体积材料向二维薄膜材料发展;已由单一均质材料向复合（宏观复合如多层膜、颗粒膜）、混合（在原子尺度上的复合如人工超晶格）、梯度材料扩展;已由平衡态（稳态）材料向非平衡亚稳态（如非晶态）材料扩展;已由微米向纳米结构材料扩展。
本文仅就用于kHz和MHz频段的金属软磁材料的最新进展作一简要介绍。
表1列出近年来传统晶态软磁合金的重大进展[1-7]

表2列出近年来高技术新型非晶、纳米晶软磁合金的重大进展[8、9]

表3列出国内外超高初始磁导率(μi)合金的牌号和性能，它们已经可以批量生产供应。

表4列出用于kHz频段的FeSi系合金性能。对比其它合金可知:在5-20kHz范围内6.5%Si-Fe以及Fe基非晶合金的损耗更要小些，铁氧体的值太低了[10]。

表5列最某些超薄带软磁合金的性能。随着厚度的减薄及采用横向磁场处理，它们使用的频率可达1MHz，性能最好的合金是Co基非晶和纳米晶Fe基合金。[1、5]

(Am)—非晶态合金 （c)—晶态超坡莫合金 (n)—纳米晶合金
*经横向磁场退火
*在Hm=2mOe下测量
▲此为Bm=0.2T，1MHz下的损耗，单位KW/Kg
△该铁基非晶的损耗单位为W/
图1、2示出这类合金的损耗、磁导率与频率关系。到10MHz磁导率已大为下降。

图1 软磁超薄带磁芯的每周损耗随频率的变化

图2 Co基非晶超薄带磁芯和其他高频磁芯的初始磁导率（μ′）与频率的关系
表6为最近发展起来的梯度高Si合金性能。其Si含量表面高，中心低，成梯度分布。现在供应二种铁芯:NK Super HF和BR。前者在高频下（10-20kHz）具有比普通6.5SiFe更低的损耗，更优于含3%Si的取向硅钢和无取向硅钢。BR铁芯的特点是剩磁（Br）低，只有0.35T，普通取向硅钢的Br为1.28T。Br低，对减少冲击电流非常有效[6、15]。

高硅钢的高频损耗小，磁滞伸缩几乎小到零，故既可缩小磁性器件（变压器或电机）的体积重量，又可大幅度减少噪音，而梯度高硅钢还改善了高Si钢的脆性，使延伸率提高了一倍，冲压、剪裁等加工性能非常优良。
表7列出了用于kHz频段的急冷非晶和纳米晶软磁合金的性能。Co基本晶、铁基非晶（含ZrBAg），以及FeCuNbSiB（Finemet）和FeZrNbBCu（Nanoperm）型纳米合金的初始有效磁导率μe(1KHz)均可达10万以上，但后者的值比非晶合金高很多，特别是FeZrNbBCu型Nanoperm 合金在工频可替代取向3%SiFe和FeSiB系Fe基非晶（损耗更低，m更高）在KHz频段可替代Co基非晶、FeNi系坡莫合金等，其综合性能最好，使用范围很宽[8、16、17]。
纳米软磁合金最近一个新发展是值又有提高，见表8。含Co的FeZrBCu系合金的达2.0T，可以替代晶态的FeCoV合金[9、18]。

在最新文献[19]中Finemet型合金的μi达15.7万，调整Nb、Si、Cu含量可以提高值，例如Nb为2.6at%时在μi达10.9万水平下，达1.5T。比表7中数据又有提高。

图3、4用于KHz频段的各类合金的—和—f关系图。

图3 软磁合金薄带的 （1KHz）和关系

图4 软磁合金薄带在kHz频段的特性比较
表9为用于MHz频段的晶态（C）、非晶态（Am）、纳米晶薄膜（n）、多层膜（M）和颗粒膜（G）的性能。它们的厚度虽然很薄（<5μm），但由于电阻率较低（<2μΩ.m），故一般到MHz或<100MHz时其磁导率就大大下降了[8、22、21]。
表10为用于MHz频段的高ρ颗粒膜和多层膜（M）的性能。由于厚度薄（<5μm），而且ρ高（3-20μΩ.m）其磁导率可达GHz量级也不下降[8，22-24]。
多层膜（M）又叫人工超晶格，可以是铁磁性膜（FM）/铁磁性膜（FM）的组合，也可以是铁磁性膜（FM）/绝缘膜（NM）组成，（每层膜厚≤几十纳米）。可以是双层，也可以交替叠合成n层。FM/FM多层膜磁性好，但ρ低（如表9所列），FM/NM膜磁性要低些，但ρ高（如表10所列）。
颗粒膜（G）是指将非晶或纳米晶软磁性颗粒（其尺度最好也是nm级），弥散地镶嵌在互不相容的高电阻非磁性基体材料中形成的薄膜，它兼有小颗粒和薄膜的双重特性。表10所列为Co-M—O系和Fe-M-O系颗粒膜，其中CoA10、CoFeHfO、CoCrO、FeHfO在500M-1GHz频率下的磁导率>100。调整这类膜的成份，可以大大改变ρ值，但当ρ值增加时，会下降（对比表9、10中FeHfO系合金膜）。颗粒膜在低频时矫顽力（Hc）较大，但在几百M Hz的高频下显示出优良的软磁性能。
图5列出用于MHz频段的各类合金薄膜的初始磁导率（μ′）与频率关系。



图5 各类软磁合金薄膜在MHz频段的特性比较
作为对比，图6列出了软磁铁氧体初始磁导率（μ′）与使用频率关系，它们在100MHz以上磁导率都<100。[25]

图6 软磁铁氧体的初始磁导率（μ′）与频率关系
图7列出软磁合金的与ρ的关系。

图7 软磁材料的饱和磁感应强度（）和电子率（r）关系ρ
表11列出了用于MHz频段的高（>1.8T）合金薄膜性能，它比表9中所列的值要高，最高已达2.4T，这类材料在高密度磁记录技术中有重要应用。[5、8、26-28]

图8为软磁薄膜磁导率与饱和磁感应强度关系，但该图上没有列出达2.0-2.1T的CoNiFe膜和达2.4T的FeTiN膜的最新研究成果[27、28]。

图8 各类软磁薄膜的μe(1MHz)和的关系
在一般条件，当工作频率为10-100kHz时，合金的带厚为10-25μm;频率为500kHz时，带厚为5-10μm;频率在1MHz以上时，带厚应小于5μm。对于适用于100MHz—数GHz的软磁材料有以下几种制造方法:
(1) 进一步降低厚度，例如利用热稳定性较好的N化薄膜，其厚度<100nm。如表11中的0.1μm厚FeCrTaN薄膜。
(2) 利用（FM/NM）n多层调制膜，FM可以是微晶、非晶或超微晶膜，NM可以是SiO2、Al2O3、AlN、Si3N4等陶瓷膜。无论是FM还是NM，其厚度均在几十nm以下。
(3) 利用高ρ的二相纳米晶颗粒膜（其厚度仍可在2-5μm）。
为了提高则在成份上利用高的Fe、FeCo、FeCoNi、FeSi系合金单层或多层膜。另外还利用Fe-M-N系合金中产生高的α″-Fe16N2相（其≥2.9T），所添加的合金元素（M）应利于该相的析出。表11中达2.4T的FeTiN系纳米晶膜，即为此原因。

总之，当前软磁合金利用选择合适的成份，再配以最佳的组织结构（如形成纳米晶、纳米结构分布、人工超晶格多层膜、多相颗粒膜结构等），使原来相互矛盾的一些技术性能如、损耗（P）、电阻率（r）、磁导率（、μ′、μ″）等得以缓和，综合性能越来越好，并在高频领域（MHz到GHz）与软磁铁氧体展开竞争。
参考文献
1、 K.Hayashi et.al
2、荒井贤一、石山和志

3、M.Komuro et.al
4、T.Okiyama.et al
5、T.Osaka et al
6、浪川操 et al

7、高田芳一 et al
8、陈国钧 et al
9、M.A.Willard et al

10、藤田耕一郎 et al
11、广田健 et al
12、T.Sawa et al

13、八木正昭

14、J.Y.Park et al
15、NKK
16、藤森启安 et al
17、K.Suzuki
18、T.Bbitoh et al
19、H.J.Lee et al

20、J.Y.Park et al

21、T.Morikawa et al

22、牧野彰宏 et al
23、Y.Hayakawa et al
24、村濑琢 et al
25、逢坂哲弥
26、T.Osaka et al
27、H.Y.Wang et al