高频、宽温高直流叠加Mn-Zn高导材料研究
2005-09-07 08:52:41
来源：《国际电子变压器》第9期
1概述
目前，高速传输网络的建设和研究都是方兴未艾。为了满足网络对高清晰度电信号的需求，必须使用一种新型的网络滤波器，如PULS推出的适用于新一代XDSL的CPE Filter（1）。其中需要采用一种高频、宽温、高直流叠加的高导Mn-Zn铁氧体小环。
这种新兴网络的前景无疑是美好的，其相关器件值得深入研究。从现有披露的资料看，对此类材料的信息的研究报道不够全面。为了推动该材料的研究，笔者抛砖引玉，现综合简述如下。
2性能简介
虽然不同的公司对网络滤波器磁环的性能、尺寸有不同的要求，但综合起来，其基本性能要求如下：
2.1目前使用的高直流叠加磁心的材料特性
在25℃的条件下 ：μi=4600±20%；在100kHz时，施加偏场为26A/m——30A/m，要求电感量跌落幅度小于25%。在实际使用时，若要求磁导率较高，电感量跌落幅度允许适当放宽。
此类磁心可选用与TDK的DN45相当牌号的材料制造。值得特别一提的是，为避免在涂覆Parylene后电感量会低于要求的下限值，必须要在烧结过程中，使磁心的相应磁导率保持在中值以上。为了满足此项要求，所选择的材料的磁导率就不能太低。比如，要求涂覆后的磁心磁导率不低于3600，则材料的起始磁导率至少应大于4500。
我公司目前已研究出了相当于DN45的材料，其牌号为KN50D。
2.2新一代宽温、高直流叠加材料
TDK公司在2003年推出了DNW45材料。与DN45相比，使用温度范围更宽。在-40℃——+85℃的范围内，叠加性能提高了23%。只是μi稍有降低，为4200±20%（2）。
FERRONICS公司在2005年推出了一款在25℃时μi可达6000的宽温、高直流叠加材料（3）。
我公司目前也积极展开了对宽温高直流叠加材料的研究，其性能于DNW45相当的材料也即将推出。
３理论分析
我们先从基本原理着手，研究提高材料的直流叠加特性的途径。图1（4）“B-H磁化曲线及磁滞回线”中的fg回线，是直流偏置场和振幅较小的交变磁场同时作用下，形成一个不对称的局部磁滞回线。其斜率与1/μ0的乘积就等于增量磁导率μΔ
μΔ=1/μ0×ΔB/ΔH (1)
图1可以直观看出提高直流叠加特性的途径有三：提高饱和磁通密度Bs；降低剩余磁通密度Br；减小磁滞回线的面积。
由于MnZn铁氧体的饱和磁通密度不高，只有0.5T左右。目前所见的最高常温Bs为0.55T（5）。而且，在提高Bs的同时，还必须兼顾μ-T曲线的平坦，以及磁导率的高低。相对而言，Br可降低的幅度相对较大。所以，减低Br比提高Bs对提高μΔ更有效（6）。而在降低Br的同时，减小磁滞回线面积，有利于在保持同等直流叠加水平下，获得较高的磁导率。
4实验
4.1配方及工艺设计
综合目前市场主流品种的要求，我们设计其基本特性如2.1所述。并且要使Bs≥500mT，以利于提高ΔB。Tc≥180℃。根据MnZn铁氧体的μi与成份的关系（7），Fe2O3的摩尔比在53.5%~51.5%，ZnO的摩尔比在15%~20%。烧结温度在1320℃~1350℃，保温时间４~５小时，氧含量一般控制在５％左右。同时要注意选择纯度较高的Fe2O3原材料，及适当掺杂。
4.2测试结果
使用φ24.6×14.8×7.2的样环，KN50D材料测量结果如下：
图2、图3是我公司KN50D材料的典型特征图：样环尺寸为φ24.54×14.78×7.4。
4.3实验结果
a.通过配方的筛选，适当的掺杂，和工艺的优化，材料可以作到既保持高磁导率又有高直流叠加。
b.KN50D的直流叠加性能特征表述如下：①室温条件下，在100kHz，30A/m偏场下，磁导率不低于3400；②在-40℃——+80℃，在100kHz，30A/m偏场下，磁导率不低于2200。
参考文献
[1]PULS公司网页；
[2]TDK产品目录；
[3]FERRONICS 产品目录；
[4]过壁君，磁芯设计及应用[M]，成都：电子科技大学出版社，1989，3；
[5]刘九皋等，国际电子变压器[J]，2005.01：113-114；
[6]阳开新，国际电子变压器[J]，2004.06：180；
[7]张有纲，黄永杰，罗迪民，磁性材料[M]，成都：电子科技大学出版社，1988，101；
目前，高速传输网络的建设和研究都是方兴未艾。为了满足网络对高清晰度电信号的需求，必须使用一种新型的网络滤波器，如PULS推出的适用于新一代XDSL的CPE Filter（1）。其中需要采用一种高频、宽温、高直流叠加的高导Mn-Zn铁氧体小环。
这种新兴网络的前景无疑是美好的，其相关器件值得深入研究。从现有披露的资料看，对此类材料的信息的研究报道不够全面。为了推动该材料的研究，笔者抛砖引玉，现综合简述如下。
2性能简介
虽然不同的公司对网络滤波器磁环的性能、尺寸有不同的要求，但综合起来，其基本性能要求如下：
2.1目前使用的高直流叠加磁心的材料特性
在25℃的条件下 ：μi=4600±20%；在100kHz时，施加偏场为26A/m——30A/m，要求电感量跌落幅度小于25%。在实际使用时，若要求磁导率较高，电感量跌落幅度允许适当放宽。
此类磁心可选用与TDK的DN45相当牌号的材料制造。值得特别一提的是，为避免在涂覆Parylene后电感量会低于要求的下限值，必须要在烧结过程中，使磁心的相应磁导率保持在中值以上。为了满足此项要求，所选择的材料的磁导率就不能太低。比如，要求涂覆后的磁心磁导率不低于3600，则材料的起始磁导率至少应大于4500。
我公司目前已研究出了相当于DN45的材料，其牌号为KN50D。
2.2新一代宽温、高直流叠加材料
TDK公司在2003年推出了DNW45材料。与DN45相比，使用温度范围更宽。在-40℃——+85℃的范围内，叠加性能提高了23%。只是μi稍有降低，为4200±20%（2）。
FERRONICS公司在2005年推出了一款在25℃时μi可达6000的宽温、高直流叠加材料（3）。
我公司目前也积极展开了对宽温高直流叠加材料的研究，其性能于DNW45相当的材料也即将推出。
３理论分析
我们先从基本原理着手，研究提高材料的直流叠加特性的途径。图1（4）“B-H磁化曲线及磁滞回线”中的fg回线，是直流偏置场和振幅较小的交变磁场同时作用下，形成一个不对称的局部磁滞回线。其斜率与1/μ0的乘积就等于增量磁导率μΔ
μΔ=1/μ0×ΔB/ΔH (1)
图1可以直观看出提高直流叠加特性的途径有三：提高饱和磁通密度Bs；降低剩余磁通密度Br；减小磁滞回线的面积。
由于MnZn铁氧体的饱和磁通密度不高，只有0.5T左右。目前所见的最高常温Bs为0.55T（5）。而且，在提高Bs的同时，还必须兼顾μ-T曲线的平坦，以及磁导率的高低。相对而言，Br可降低的幅度相对较大。所以，减低Br比提高Bs对提高μΔ更有效（6）。而在降低Br的同时，减小磁滞回线面积，有利于在保持同等直流叠加水平下，获得较高的磁导率。
4实验
4.1配方及工艺设计
综合目前市场主流品种的要求，我们设计其基本特性如2.1所述。并且要使Bs≥500mT，以利于提高ΔB。Tc≥180℃。根据MnZn铁氧体的μi与成份的关系（7），Fe2O3的摩尔比在53.5%~51.5%，ZnO的摩尔比在15%~20%。烧结温度在1320℃~1350℃，保温时间４~５小时，氧含量一般控制在５％左右。同时要注意选择纯度较高的Fe2O3原材料，及适当掺杂。
4.2测试结果
使用φ24.6×14.8×7.2的样环，KN50D材料测量结果如下：
图2、图3是我公司KN50D材料的典型特征图：样环尺寸为φ24.54×14.78×7.4。
4.3实验结果
a.通过配方的筛选，适当的掺杂，和工艺的优化，材料可以作到既保持高磁导率又有高直流叠加。
b.KN50D的直流叠加性能特征表述如下：①室温条件下，在100kHz，30A/m偏场下，磁导率不低于3400；②在-40℃——+80℃，在100kHz，30A/m偏场下，磁导率不低于2200。
参考文献
[1]PULS公司网页；
[2]TDK产品目录；
[3]FERRONICS 产品目录；
[4]过壁君，磁芯设计及应用[M]，成都：电子科技大学出版社，1989，3；
[5]刘九皋等，国际电子变压器[J]，2005.01：113-114；
[6]阳开新，国际电子变压器[J]，2004.06：180；
[7]张有纲，黄永杰，罗迪民，磁性材料[M]，成都：电子科技大学出版社，1988，101；
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