1前言
随着半导体技术和电路技术的发展，进一步增加了对电子设备的多功能化和高密度化的需求，作为电子设备不可缺少的开关电源，迫切要求实现小型轻量化（高频化的需要）。而为了使开关电源小型化，首先要求开关电源变压器小型化。工作频率更高的PC40、PC44及PC50功率铁氧体材料和磁心就是适应这种需求而发展起来的。
制备性能优越的开关电源变压器用功率铁氧体材料是困难而复杂的，主要原因是这些材料在应用时所要求的性能多数都是非本征性的，也就是说，铁氧体的性能并不是由其化学成分及晶体结构决定的，还需要研究和控制它们的密度、晶粒尺寸、气孔率以及它们在晶粒内部和晶粒之间的分布等。本文仅对PC44、PC50材料的主配方和添加物选择进行粗浅的探讨，旨在抛砖引玉，供同行们参考。
2开关电源变压器用铁氧体的主配方选择
用在开关电源变压器中的Mn-Zn功率铁氧体材料，是在大电流情况下通过磁化来传递功率的，为提高功率转换效率并避免饱和，因此要求铁氧体材料具有高饱和磁通密度（Bs）、高起始磁导率（μi）和高振幅磁导率（μe），同时为了避免变压器在高频下发热烧机，材料的功率损耗（Pc）应尽量小，希望呈负的温度系数。可以说，衡量功率铁氧体材料优劣的三个重要磁性能参数是：μi、Bs和Pc，它们之间是一个矛盾的统一体，某些参数甚至严重对立，将它们有机统一的总体思路是控制K1～T曲线及铁氧体的微观结构，在配方、添加物和工艺（主要是烧结工艺）上使磁晶各向异性常数K1有一个好的温度特性，将K1的最小值调节到合适的位置，并使其趋向于零，这对实现三个参数的和谐统一十分关键。
起始磁导率μi是Mn-Zn功率铁氧体材料的重要参数之一，μi与材料的饱和磁化强度Ms、磁晶各向异性常数K1、磁致伸缩系数λs以及内应力σ等密切相关，可以表示为：μi∝Ms2/（2K1+3λsσ）。另外，根据Snock公式可知，μi与材料截止频率fr之间相互制约，提高材料的使用频率与提高μi是相互对立的，在实际材料中一般兼顾两者。
就功率铁氧体的Bs和居里温度（θf）来说，是由配方和密度决定的。对于功率铁氧体的主配方，国内外软磁科研工作者已做了较深入的系统研究，并把它制成如图1所示的相图（无添加物）的形式使之更直观的表现出来。我们现有的功率铁氧体的主配方大都会在以下范围内选择：Fe2O3：51～55mol%、ZnO：8～12mol% 、余量为MnO（由于MnO在空气中很不稳定，室温下极易吸氧变价，所以通常采用Mn3O4）。就PC40、PC44、PC50而言，由于其Bs都比较高（见表1），必须采用过Fe配方，因为Fe2O3含量在51～55mol%范围内Bs随Fe2O3含量的增加而增大（反之，ZnO含量过多则会造成材料高温Bs和θf的下降），如PC44，国内一知名软磁企业取其主配方为：Fe2O3：53.3mol%、 MnO：36.5 mol%、ZnO：10.2mol%。PC50的居里温度更高，需要Fe2O3的mol含量较高，ZnO的mol含量较低。最佳的配方组合可通过工艺试验，可结合加杂和烧结工艺形式优选确定。
3开关电源变压器用铁氧体的添加物选择
正如前面所言，开关电源变压器用Mn-Zn铁氧体的化学成分不是决定铁氧体性质的唯一因素，阳离子和点缺陷在晶位中的分布起着头等重要的作用。因此，通过掺入添加物和工艺调整来改善铁氧体的微观结构，更有助于使材料的主要特性参数达到和谐的统一。
根据基础磁学理论，功率铁氧体材料的截止频率fr与铁氧体的晶粒大小d有以下关系：
fr（μi-1）=3Ms2/（d·β） (1)
式中Ms为材料的饱和磁化强度，β为阻尼系数。
由上式可知，fr与d、μi-1成反比例关系，所以，通过掺入添加物和烧结工艺的调整使晶粒细化，减小晶粒尺寸，可以提高材料的截止频率（也就提高了其工作频率）。但晶粒尺寸的无限减小，必定增大功率损耗。另一方面，μi的高低（与烧结温度有较大关系），也关系到fr的大小。
就材料的功率损耗Pc来说，它是由磁滞损耗Ph、涡流损耗Pe和剩余损耗Pr（有人将其称为介质损耗）三部分之和构成。PC40、PC44材料，主要用于100kHz下工作，材料损耗以磁滞损耗为主。由于Ph∝Bm3（Bm为工作磁通密度），可见材料的Bs要高，成分的均匀性要好（采用高纯原材料），同时必须改善晶粒大小的一致性并提高材料密度，尽量减小内应力。而对PC50材料，通常是在几百kHz的高频下使用，功率损耗主要由磁滞损耗和涡流损耗两部分组成。涡流损耗用下列公式表示：
Pe=（π2/4）·r2·f2·Bm2/ρ ⑵
式中r为平均晶粒尺寸，ρ为电阻率。
可见，在高频下降低材料功率损耗主要有两条途径：①提高电阻率；②控制铁氧体的晶粒在最佳状态范围内（晶粒过小，Pe会变小，但Ph会增大）。
控制晶粒大小和电阻率的最有效办法是合理的掺入添加物和改善烧结工艺。众所周知，掺入一些有益的添加物如SnO2、TiO2、Co2O3等，可进一步控制材料的K1值，使其在较宽的温度范围内变得很小；复合添加CaO和SiO2（但要注意国内Fe2O3中，一般都会有100ppm左右的SiO2，在计算掺入量时应予以考虑），可增大材料的电阻率、降低材料的功率损耗，等等。实际上，对Mn-Zn铁氧体性能提高有实用价值的添加物较多，它们的主要作用可分为三类：第一类添加物在晶界处偏析，影响晶界电阻率；第二类影响铁氧体烧结时的微观结构变化，通过烧结温度和氧含量的控制可改善微观结构，降低功率损耗、提高材料磁导率的温度和时间稳定性、扩展频率等；第三类则固溶于尖晶石结构之中，影响材料磁性能。Ca、Si等元素的添加物属第一类和第二类；Bi、Mo、V、P等元素属第二类；Ti、Cr、Co、Al、Mg、Ni、Cu、Sn等元素的主要作用属第三类。
图2所示为MOO3、CuO等6种添加物对Mn-Zn铁氧体磁导率的影响，其中μ和μt分别表示未掺添加物和掺入了少量添加物的铁氧体的磁导率；图3示出了掺入SiO2对Mn-Zn铁氧体磁导率的影响；图4所示为TiO2添加量对Mn-Zn铁氧体μi-T曲线的影响；图5(a)和(b)分别示出的是复合添加SiO2、CaO对Mn-Zn铁氧体在100kHz时的电阻率和比损耗系数（tgδ/μi）的影响。
日本东北金属公司科研人员在开发PC50材料时，发现通用的复合添加SiO2、CaO添加物有一部分会在晶