贫铁MnZn铁氧体材料的特性及在共模扼流圈中的应用
Properties of Poor-Fe MnZn Ferrite Materials and Its Application in Commode Inductors

1 引言
高导磁率的MnZn铁氧体在共模扼流圈、脉冲变压器等通信器件中已获得广泛的应用。随着电子设备的小型化、高效率化，电子设备所工作的频率越来越向高频发展，为此必须开发出在宽频带范围具有高导磁率的铁氧体材料。
一直以来，由于MnZn铁氧体材料的电阻率比NiZn铁氧体低，由于涡流的产生，MnZn铁氧体很难在高频下使用，所以在1MHz以上频率使用的高频器件大多使用NiZn铁氧体材料。MnZn铁氧体电阻率之所以低，是由于这种铁氧体组分中，的摩尔比均超过50%，而成为所谓的富铁组成。当在还原气氛中烧结、冷却时，在尖晶石结构中，便存在对铁氧体导电性产生很大贡献的，这是造成MnZn铁氧体电阻率低的最主要原因。
鉴于以上分析，在MnZn铁氧体中，当采用的摩尔比小于50%的贫铁组分时，通过抑制的生成，应该可以得到能应用于1MHz以上频率使用的MnZn铁氧体。为此，日本的小林修等人多年来对这种贫铁的MnZn铁氧体材料开展了大量深入研究，并取得了较好的成绩。他们在贫铁组合的MnZn铁氧体中，为了控制离子的价态，添加少量的或者，并在空气中烧结，获得了高电阻率和起始磁导率较高的材料特性。在此基础上，将这种贫铁组分的材料，通过控制氧分压烧结，使材料的磁导率得到了进一步提高。
用这种贫铁MnZn铁氧体作成的共模扼流线圈在高频下具有和NiZn铁氧体相近的阻抗-频率曲线。本文介绍这种贫铁MnZn铁氧体材料特性及用这种材料制成的共模扼流线圈的有关特性。
2 贫铁MnZn铁氧体的电磁特性
按表1所示的组分，研究贫铁组成的MnZn铁氧体中添加量对其磁特性的影响。表中，MnO与ZnO的摩尔比固定在3：2。该类样品中，由于样品表面的氧化，生成尖晶石以外的异相，起始磁导率均不高，但与没有添加（样品A1）的样品的磁导率在10KHz仅有370相比，添加了的样品的磁导率（样品A2～A4）均有大的提高而超过1000。究其原因，可以推测为是由于的添加，而改变了Fe及Mn离子的价态。

对A1～A4样品进行测量分析换算得到铁氧体中FeO和的质量比，实验结果发现，样品A1中存在过量的离子，但随着的添加，离子减少。分析其原因，可能是同时存在于尖晶石相和尖晶石以外的异相中的离子，当以4价稳定的进入尖晶石的B位时，必然导致铁氧体的电荷量补偿，于是存在于尖晶石中的变成。由此可见，的添加使减少是提高起始磁导率的重要原因。
另外，对起始磁导率有重要影响的离子，在贫铁组分的铁氧体中，由于在大气中烧成，所以仅有微量存在，与以往富铁MnZn铁氧体在还原气氛中烧结，FeO的含量高达1.6～2.0mass%相比，这种贫铁MnZn铁氧体的FeO含量只有其1/10左右。且与的添加量无关，量几乎没有什么变化，这意味着由于的进入，尖晶石中的转换，前述的电荷补偿仅在Mn离子间进行，与Fe离子无关。
添加，导磁率的上升，通过的减少能得到说明，实验发现，当超过4mol%时，样品的起始磁导率下降，这一实现现象通过XRD分析可以得到解释，当适量添加时，进入尖晶石的B位，造成B位的过剩，这部分过剩的在大气中烧成便作为α-相析出。
的添加对贫铁MnZn铁氧体电阻率的影响如图1所示，没有添加的贫铁组分MnZn铁氧体的电阻率是富铁组分的MnZn铁氧体的1000倍以上。

对上述组分的贫铁MnZn铁氧体在N2气体中烧结时的磁导率和空气中烧结得到的磁导率一同示于图2（测试条件为100KHz），从图中可见，与空气中烧结的磁导率1600相比，在氮气中磁导率上升到3700，提高幅度达二倍以上，这一实验事实通过样品表面层的X射线衍射得到了解释。在空气中烧结时，由于氧化出现的异相通过氮气中烧结得到了抑制。

图3示出了在氮气中烧结的贫铁组分MnZn铁氧体，的添加量对100KHz和10MHz频率下的起始磁导率的影响，从图中可见，兼顾高、低频下的特性，掺1mol%比的是合适的。

通过合适的掺杂及气氛控制，贫铁组成的MnZn铁氧体可以得到和富铁组分接近的起始磁导率，通过优化配方、工艺及掺杂，可以得到大于5000的起始磁导率。且这种贫铁组分MnZn铁氧体的起始磁导率有非常好的高频特性，另一重要特性是其介电常数的频率特性。众所周知，通常的富铁MnZn铁氧体的介电常数非常大，而Ni-Zn铁氧体的介电常数却很小，但贫铁的MnZn铁氧体的介电常数在1KHz以下低频非常大（可以超过10000），但在高频范围，其介电常数降到和NiZn铁氧体材料近似相等的数值。
3 用贫铁MnZn铁氧体磁芯作共模扼流圈的特性
为便于比较，图4示出了富铁MnZn、贫铁MnZn及NiZn铁氧体磁芯作共模扼流圈的阻抗特性曲线。

贫铁MnZn铁氧体的阻抗值与富铁MnZn铁氧体相比，在1MHz以前虽然稍微低一点，但在1MHz以上高频区域都远高于富铁的情况，显示出和NiZn的铁氧体近似相等的值。并且这种贫铁的MnZn铁氧体共模扼流圈的频率特性，在共振频率的阻抗值不是尖锐的上升，而是显示出较平坦的频率特性。
铁氧体磁芯线圈的等效电路通常表示成R-L的串联和并联电容C，但磁芯损耗大的情况下，共模扼流圈的等效电路可假定为RLC并联电路进行综合，将阻抗Z（ω）表示成如下式所示的形式：

将实验测得的阻抗值、分离出Lp、Cp、Rp，结果如表2所示。

从表2中可以看出，对于Rp不同的样品大体上相同，由于Lp正比于低频时起始磁导率，所以富铁MnZn和贫铁MnZn的Lp基本上相同，而富铁MnZn铁氧体的Cp非常大，但贫铁MnZn铁氧体的Cp和NiZn铁氧体相比则不是特别大，这是这种共模扼流线圈获得优良高频特性的一个重要原因。
根据线圈阻抗表示式，可以证明，当Rp、Lp固定时，随Cp值的减小，共振频率向高频端移动，从而使高频特性变好，而当Cp、Rp固定时，随Lp的增加，线圈阻抗频率特性由尖锐形变成平坦型。这一点从并联LCR电路的共振Q值表示式是比较容易理解的。贫铁MnZn铁氧体由于在低频时具有和富铁MnZn材料相近的起始磁导率，所示Lp大，而其Cp值又比较小，所以得到较平坦且共振频率移向高频的阻抗频率特性。
用富铁MnZn、贫铁MnZn及NiZn铁氧体磁芯作成的共模扼流线圈的衰减频率特性如图5所示。从图5中可见，贫铁MnZn铁氧体与富铁MnZn铁氧体相比，有优良的高频特性，将用富铁MnZn、贫铁MnZn高磁导率磁芯做成的共模扼流线圈与二个电容器一起构成LC滤波器使用在开关电源的输入端，测量这种LC电路的衰减频率特性。结果发现，由于存在LC共振，所得到的衰减频率特性与单一的共模扼流线圈相比，不管是富铁还是贫铁MnZn铁氧体，在1-30MHz的衰减特性都有大幅度地提高。数百KHz～1MHz高频驱动的开关电源，其高次谐波噪声频率在几MHz～几十MHz频率范围，这正好是这种贫铁MnZn铁氧体共模扼流圈所能发挥作用的范围。

4 结论
贫铁MnZn铁氧体通过配方、掺杂及工艺的调整，可以得到和富铁MnZn铁氧体相近的起始磁导率和很高的电阻率。在高频率下有和NiZn铁氧体相比拟的电磁特性，因而是一种值得深入研究的材料。■