可用于3MHz的高频功率材料
2004-09-29 11:05:03
来源：国际电子变压器2004年10月刊
1引言
近年来，电子产品为适应电子设备小型化、轻量化和薄形化的发展趋势，作为电子设备中的心脏部件——电源，更迫切需要小型化、轻量化、高可靠性。开关电源具有效率高、体积小、重量轻、可靠性高等优点，早已成为计算机、通讯、彩电、录象机等各种现代化电子装备不可缺少的组成部分。
作为开关电源中关键件的铁氧体变压器的输出功率可由公式P=KBmAefNAcoi计算。由此公式可以看出提高工作频率，可缩小磁心截面积，减小线圈匝数，其结果可实现变压器的小型化，最终减小电子设备的体积、重量。
自七十年代开始为适应开关电源的发展需要，开关频率一直不断提高，为此科研人员经过长时间的努力，先后经过四个阶段。如第一代LPL材料，频率在16～25kHz，功耗较大，使用时温升显著，第二代材料最大的特点为呈现负温度系数，能有效的防止温升造成的电磁性能下降，综合指标良好。80年代后期开发出使用频率在100~500kHz的第三代材料。进入90年代后第四代功率铁氧体材料又开发成功，其功耗大大低于第三代材料，使用频率可达500~1000kHz，如TDK公司的PC50材料，西门子公司的N47、N49、N59材料、TOKIN公司的B40、菲力浦公司的3F4材料等等（见表1）。
为适应这种趋势，对MnZn铁氧体的研制方向也是向高频、低损耗方向发展，如何提高材料的性能，降低材料的损耗成为近年来国内各知名厂家和研究单位的研究焦点。表一为国内外知名厂家的高频材料性能指标。本文对用于3MHz下的材料进行了较为细致的研究，并研制出较为理想的高频材料R1000F材料。
2实验方法及测量方法
随着使用频率的提高，无论是材料的研制，还是测试仪器的选择都面临很多新的问题，在进行材料的研制中采用传统的陶瓷制备技术。工艺过程如下：将主配方原料通过BP3100S型精密电子天平称量好，倒入球磨机中，混料6～10小时，烘干；将烘干料放入预烧炉中在900~1000℃下保温预烧2小时；在预烧料加入有益的杂质，再用球磨机球磨15~20小时，烘干；加入10wt%的PVA造粒，压制成型，最后在有微机控制的真空炉中进行致密化烧结，氧分压用氧分析仪测量炉内氧含量，烧结温度为1130～1220℃，烧成的样环尺寸为φ16mm×φ10mm×4~5mm的标准样环。
采用测试仪器分别为HP4275L-C-R数字电桥测电感（见图1），HP4191A测试1MHz以上的磁谱（见图2，图3），SY8232测试3MHz、1MHz下的功耗（见图4），REMAGRAPHC-750测试静态参数如BS、Br和Hc见图5等。
3实验结果
通过以上的实验过程，我们得到如下结果：
材料起始磁导率与温度的曲线
试验条件为：采用HP4274LCR表、测试频率为10kHz，磁环用0.25mm漆包线绕制20匝。
4理论分析和讨论
对于高频损耗，首先分析它产生的原因：主要为
(1)磁滞损耗Ph
(2)涡流损耗Pe
(3)剩余损耗Pr
从理论上讲，对于磁滞损耗Ph=f∫HdB，更进一步可表述为Ph=khBm3·f，其中kh为常数，此式可说明磁滞损耗随周波数呈正比增加，Ph∝Bm3；要减小Ph往往通过下列方法：提高成分的均匀性（采用高纯原材料）；改善晶粒大小的一致性并提高材料密度；减小晶界应力（形成均匀平滑的晶界区域）；Ph与晶粒间畴壁位移有关，而与晶粒内部畴壁位移无关。
对于涡流损耗，理论表达式为：
式中，R可看成是平均晶粒尺寸，f为频率，Bm为工作磁通密度，而ρac为频率f下的电阻率。ρac与直流电阻率的关系可由下式描述：
式中ρac为直流电阻率，而ε〃为材料介电常数复数的虚部。显然，减小涡流损耗的有效办法是：提高材料的电阻率，同时减小铁氧体平均晶粒尺寸。
剩余损耗Pr是指磁心总功耗中除磁滞损耗和涡流损耗的那部分损耗，包括自旋共振损耗、畴壁共振损耗、扩散共振损耗、尺寸共振损耗等。当工作频率接近或超过1MHz时，剩余损耗将占主导地位（1），要降低剩余损耗必须减小铁氧体平均晶粒尺寸。
尺寸共振损耗是指，相对于高周波的电磁波波长λ，当磁心尺寸为λ/2的整数倍大小时，其内部会产生驻波而吸收能量。选择合的磁心尺寸可以避免尺寸共振。
畴壁共振是指当外磁场的周波数与畴壁的固有频率一致时产生的共振。扩散共振是指伴随磁化的变化，磁性体内部存在的电子等迁移的情况，该迁移速度与外磁场周波数一致时产生的共振。
自旋共振对高周波用铁氧体来说是最重要的损耗机制。众所周知，磁性的根源是电子自旋。在外加直流磁场作用下，电子自旋将以磁场方向为轴产生拉摩运动。当外加交流磁场与该拉摩运动的周期相等时，则会产生自然共振。通常，即使不存在直流外部磁场，在铁氧体的场合，由于内部存在各向异性磁场，仅外加交流磁场即可引起共振。称此为自然共振。自然共振周波数由下式给出：
fr=(γ/2π)Ha
式中，fr为自然共振周波，γ为回旋（gyro）磁常数，Ha为各向异性磁场。
对材料的研制首先得从基本配方着手，最初我们开始分析材料的特性，因为在高频下材料的损耗主要是涡流损耗和剩余损耗，而降低涡流损耗的最好方法是提高电阻率，提高材料的电阻率的最好方法是减少Fe2+，最好是采用缺铁配方，增加材料的电阻率。但由于我们的目标是将100℃的磁心损耗降低，这种缺铁配方由于缺少Fe2+，调整磁晶各向异性常数K1很困难，因此也未采用缺铁配方，而是采用富铁配方。
为使材料达到理想的高频性能，必须进行加杂实验，通过考察了表2中不同添加物的作用，针对功率材料的特点，采用复合添加的方式A+B+C，其中A、B在1组中选择，这使材料具有高的晶界电阻率，C的添加在6组中选择，使材料的本征特征发生关系，可极大的改善材料综合性能。通过实验结果可知材料的损耗由于C的加入功耗减小了20-35%。
从实验结果看出，材料功耗随温度变化并不理想，对500KHz的功耗在60℃以后开始上升，100℃不是材料功耗最低点。还有待进一步改进。
在本材料功耗和静态参数的测试方面，得到九所质量检部彭清贵、郑庆珍和徐强等同志的大力支持在此表示感谢！
参考文献
[1] IEEE TRANS.MAG，29，6，(93)，3526~3528
[2] 磁性材料，田民波编著，P76-78、P160-165
为适应这种趋势，对MnZn铁氧体的研制方向也是向高频、低损耗方向发展，如何提高材料的性能，降低材料的损耗成为近年来国内各知名厂家和研究单位的研究焦点。表一为国内外知名厂家的高频材料性能指标。本文对用于3MHz下的材料进行了较为细致的研究，并研制出较为理想的高频材料R1000F材料。
2实验方法及测量方法
随着使用频率的提高，无论是材料的研制，还是测试仪器的选择都面临很多新的问题，在进行材料的研制中采用传统的陶瓷制备技术。工艺过程如下：将主配方原料通过BP3100S型精密电子天平称量好，倒入球磨机中，混料6～10小时，烘干；将烘干料放入预烧炉中在900~1000℃下保温预烧2小时；在预烧料加入有益的杂质，再用球磨机球磨15~20小时，烘干；加入10wt%的PVA造粒，压制成型，最后在有微机控制的真空炉中进行致密化烧结，氧分压用氧分析仪测量炉内氧含量，烧结温度为1130～1220℃，烧成的样环尺寸为φ16mm×φ10mm×4~5mm的标准样环。
采用测试仪器分别为HP4275L-C-R数字电桥测电感（见图1），HP4191A测试1MHz以上的磁谱（见图2，图3），SY8232测试3MHz、1MHz下的功耗（见图4），REMAGRAPHC-750测试静态参数如BS、Br和Hc见图5等。
3实验结果
通过以上的实验过程，我们得到如下结果：
材料起始磁导率与温度的曲线
试验条件为：采用HP4274LCR表、测试频率为10kHz，磁环用0.25mm漆包线绕制20匝。
4理论分析和讨论
对于高频损耗，首先分析它产生的原因：主要为
(1)磁滞损耗Ph
(2)涡流损耗Pe
(3)剩余损耗Pr
从理论上讲，对于磁滞损耗Ph=f∫HdB，更进一步可表述为Ph=khBm3·f，其中kh为常数，此式可说明磁滞损耗随周波数呈正比增加，Ph∝Bm3；要减小Ph往往通过下列方法：提高成分的均匀性（采用高纯原材料）；改善晶粒大小的一致性并提高材料密度；减小晶界应力（形成均匀平滑的晶界区域）；Ph与晶粒间畴壁位移有关，而与晶粒内部畴壁位移无关。
对于涡流损耗，理论表达式为：
式中，R可看成是平均晶粒尺寸，f为频率，Bm为工作磁通密度，而ρac为频率f下的电阻率。ρac与直流电阻率的关系可由下式描述：
式中ρac为直流电阻率，而ε〃为材料介电常数复数的虚部。显然，减小涡流损耗的有效办法是：提高材料的电阻率，同时减小铁氧体平均晶粒尺寸。
剩余损耗Pr是指磁心总功耗中除磁滞损耗和涡流损耗的那部分损耗，包括自旋共振损耗、畴壁共振损耗、扩散共振损耗、尺寸共振损耗等。当工作频率接近或超过1MHz时，剩余损耗将占主导地位（1），要降低剩余损耗必须减小铁氧体平均晶粒尺寸。
尺寸共振损耗是指，相对于高周波的电磁波波长λ，当磁心尺寸为λ/2的整数倍大小时，其内部会产生驻波而吸收能量。选择合的磁心尺寸可以避免尺寸共振。
畴壁共振是指当外磁场的周波数与畴壁的固有频率一致时产生的共振。扩散共振是指伴随磁化的变化，磁性体内部存在的电子等迁移的情况，该迁移速度与外磁场周波数一致时产生的共振。
自旋共振对高周波用铁氧体来说是最重要的损耗机制。众所周知，磁性的根源是电子自旋。在外加直流磁场作用下，电子自旋将以磁场方向为轴产生拉摩运动。当外加交流磁场与该拉摩运动的周期相等时，则会产生自然共振。通常，即使不存在直流外部磁场，在铁氧体的场合，由于内部存在各向异性磁场，仅外加交流磁场即可引起共振。称此为自然共振。自然共振周波数由下式给出：
fr=(γ/2π)Ha
式中，fr为自然共振周波，γ为回旋（gyro）磁常数，Ha为各向异性磁场。
对材料的研制首先得从基本配方着手，最初我们开始分析材料的特性，因为在高频下材料的损耗主要是涡流损耗和剩余损耗，而降低涡流损耗的最好方法是提高电阻率，提高材料的电阻率的最好方法是减少Fe2+，最好是采用缺铁配方，增加材料的电阻率。但由于我们的目标是将100℃的磁心损耗降低，这种缺铁配方由于缺少Fe2+，调整磁晶各向异性常数K1很困难，因此也未采用缺铁配方，而是采用富铁配方。
为使材料达到理想的高频性能，必须进行加杂实验，通过考察了表2中不同添加物的作用，针对功率材料的特点，采用复合添加的方式A+B+C，其中A、B在1组中选择，这使材料具有高的晶界电阻率，C的添加在6组中选择，使材料的本征特征发生关系，可极大的改善材料综合性能。通过实验结果可知材料的损耗由于C的加入功耗减小了20-35%。
从实验结果看出，材料功耗随温度变化并不理想，对500KHz的功耗在60℃以后开始上升，100℃不是材料功耗最低点。还有待进一步改进。
在本材料功耗和静态参数的测试方面，得到九所质量检部彭清贵、郑庆珍和徐强等同志的大力支持在此表示感谢！
参考文献
[1] IEEE TRANS.MAG，29，6，(93)，3526~3528
[2] 磁性材料，田民波编著，P76-78、P160-165
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