低损耗功率铁氧体研究进展

摘 要 介绍了低损耗功率铁氧体最新研究动向，其中包括阴离子对MnZn铁氧体晶界特性的影响及其机理以及工艺参数及微结构与功耗的关系。
关键词 低损耗 微结构 MnZn铁氧体
1 引言
以MnZn铁氧体为代表的功率铁氧体作为开关电源变压器磁芯的需求量越来越大，国内各大企业均以超常规的速度跨跃式的发展壮大，产量连年大幅度地增加，由此带动MnZn铁氧体制造有关的化工原料、生产设备、测量仪器及辅助材料产业也十分繁荣。为满足市场需要，生产厂商必须不断研发出更具新意的功率铁氧体磁芯来扩大市场份额。纵观功率铁氧体近30年的发展历史，高频化、低损耗化一直是该类材料发展的主要轨迹。开关电源变压器的驱动频率由10kHz左右上升到100-500kHz频率范围。在100kHz、200mT条件下测量材料功率损耗也由最初500kW/左右降至不足200kHzW/。功率损耗的变迁示意图如图1所示。
功率铁氧体材料的低耗化是功率铁氧体长期的研究课题。低损耗功率铁氧体材料的研究，一方面要研发更低损耗的功率铁氧体以满足许多新兴领域的需要，二是需将实验研究的低耗功率铁氧体实现量产化。降低磁芯损耗，在理论上主要是从微观结构入手，研究晶粒形状尺寸及晶界杂质分布密度与均匀性，实验上则是结合各自实际情况，开展实验技术研究，找出最佳工艺组合，国内外研究文章都是围绕上述二个方面进行论述的。
本文介绍低损耗MnZn铁氧体国外最新研究成果，包括阴离子存在对MnZn铁氧体晶界特性的影响及不同工艺参数与微结构对功率损耗的关系两个方面，希望对国内同行有所帮助。


2 阴离子对MnZn功率铁氧体晶界结构的影响及其与功耗的关系
掺杂技术是MnZn功率铁氧体制造过程中最关键技术之一。在目前情况下，准确选择杂种类、掺杂量成为一个企业最核心的问题。国内外对于阳离子对材料电磁特性的影响的研究十分广泛深入，各自都总结出了一套适合自身工艺条件的掺杂技术，而关于阴离子对材料电磁特性的影响研究甚少，甚至忽略了这方面的研究。而作为MnZn铁氧体最主要原料的由氯化铁或硫酸铁水溶液制取，氯离子及硫酸离子对材料电磁特性的影响是不可忽视的。
2.1 实验结果
图2示出不同含S量情况下，磁芯在100℃时的功率损耗特性。图中的S量是铁氧体粉中硫酸离子量换算而成的。从图中可见，伴随着S量的增加，功耗值增大，延长各种不同含S量情况下，损耗频率特性至与纵轴的交点及各种不同含S量损耗频率特性的斜率可以看出，含S量的增加是同时增加了磁滞损耗和涡流损耗。磁滞损耗由于含S量的增加而增加，通过测量100℃下含S量对矫顽力和剩磁的影响也可充分说明，结果见图3、图4。


涡流损耗随含S量的增加而增加，从涡流损耗表示式（式中的为涡流损耗，C是由形状决定的常数，d是涡流直径，为励磁磁通密度，ρ是电阻率）可知，通过测量材料电阻率随含S量变化即可得到证实。含S量对材料体电阻的影响如图5所示。从图中可以看出，含S量的增加确实减少了材料的电阻率，进而导致涡流损耗上升。


2.2 产生机理
在通常情况下，分析某种杂质含量的变化导致材料、上升，即被认为这种杂质的存在导致在烧结体中畴壁移动被抑制。作为抑制畴壁移动的主要原因是铁氧体烧结体的晶粒内有某种异相的析出。分析这种异相析出的原因可以认为是由于铁氧体内阳离子铁缺陷量的增大而引起畴壁的钉或者是的变化而导致各向异性磁场的变化等等。在上述理论分析基础上，对铁氧体化学表示式中表示阳离子或氧离子缺陷的氧剩余量r值及铁氧体中量随含S量的增加的变化进行了测量，实验结果如图6、图7所示，从图中可以看出，含S量的增加对r值、/Fe量均没有明显地影响。图6、图7的实验结果否定了上述的理论分析。说明含S量的增加不是引起晶粒内结构变化而导致畴壁移动被抑制，最终引起材料损耗增大的原因，而是由于晶界结构发生变化而导致晶界壁层的厚度减少所致。


用TED-EDS进行了斑点分析（斑点尺寸为φ25mm）对不同S量的粒界周围Ca的分散状态进行分析。根据实测数据，用衡量Ca量分散程度的C·V值进行表示。C·V值（%）=σ/x×100（σ是从沿晶界Ca含量数据求得的标准偏差，x是从沿晶界Ca含量数据求得的Ca量的平均值），该式表示，C·V值越大，Ca的分散程度越大。实验测得的C·V值与含S量的关系如图8所示。随着含S量的增加，C·V值越来越大，由此可见，随着含S量的增加，晶界上的Ca非均匀分散越明显。进一步研究结果表明，沿晶界边界Ca的不均匀分散是由于硫酸离子的过量存在与MnZn铁氧体制备过程中必须添加的Ca离子反应生成，而很难分散成CaO和所至。

2.3 实际意义
由于生产工艺所决定，阴离子的存在不可避免，以奥地利高纯为例，含量为99.6%，而c1含量为0.1%，含量为0.02%，国产高纯、中也都有相应的S含量，在实际过程中，应加强材料含S量的监控，同时通过相应的工艺措施来减少S的存在对MnZn铁氧体功耗带来的负面影响。

3 工艺参数及微观结构与功耗的关系
影响MnZn铁氧体电磁特性的工艺参数很多，其中影响最大，最难掌握的恐怕要数烧结工艺参数，包括温度曲线、气氛曲线。因为该参数左右着材料的晶粒尺寸、晶粒均匀性、晶界离子分布及晶界层厚度等微结构，对材料电磁特性至关重要。以研究MnZn铁氧体烧结时的冷却气氛对Ca离子的偏析和对电磁特性的影响为目的，研究了标准烧结状态与特定冷却气氛情况下，MnZn铁氧体的晶界特性。研究结果表明，若在1100℃以上的高温条件下，在低氧分压下保持，Ca固溶于尖晶石相而导致晶界的Ca不足，从而导致起始磁导率和电阻率均下降。并且由于Ca的固溶而引起二峰温度上升，这一点与在平衡氧分压下冷却的情况是不相同的。在平衡氧分压下冷却，二峰温度与Ca含量没有关系。
晶粒尺寸与材料功耗的关系一直是低耗功率铁氧体研究的重要内容。在不同频率下，要满足相应的功耗值，必须有相应的微结构。随着工作频率的升高，晶粒尺寸要不断减小，图9示出了不同频率下材料微结构所对应的形态。

从图中可见，随着回扫描方式的广泛采用，今后对铁氧体磁芯的要求将是高B、低μ、低损耗。对于100kHz、200mT条件下，磁芯功耗最小的晶粒尺寸应该在15～17μm之间在晶粒尺寸一定的情况下，第三种掺杂元素对SiO2-CaO系统的影响与功耗的关系如表1所示。不同的第三种元素加入，功耗值有明显地下降，出现功耗值的下降是由于迟滞损耗降低所至，而涡流损耗反而有所上升。分析这种现象的原因，用由于第三种元素的掺入对Ca离子在晶界的分布带来了影响，可以很好地说明。

4 结论
功率铁氧体的低损耗是一个永久的研究课题，必须从各个方面寻求降低损耗的途径，这其中包括常被人们忽视的许多因素，因为降低铁氧体功耗目前处于一种“寸土必争”的境地。