1 前言
节能环保是当今世界各国政府大力推行的政策，欧盟春季首脑会议于2008年4月9日结束，会议达成协议2009年以前在家庭中原使用的白炽灯全部用节能灯代替。澳大利亚、美国也相继出台在2010年至2020年期内逐步禁止白炽灯的使用，原使用白炽灯全部用节能灯替代。在全球气候变暖，能源日益短缺的今天，节能降耗已经成为全球一个重要课题。我国政府近年来也制定了多项政策来鼓励节能技术的发展与推广，国家发改委去年已宣布，将在未来5年间在全国推广1.5亿只节能灯，节电290亿度。据统计，照明用电占到总用电量的10～15%，在照明领域实施节能技术，具有重要的现实意义。在电光源产品中尤其是节能灯向来以发光效率高、节能效率高为显著特点，效益巨大，在照明度不变的情况下，一支5W的节能灯直接替换25W白炽灯，一支85W大功率节能灯即可替换500W白炽灯或250W水银汞灯，其节能率达到50%～80%。[1]
目前国内生产节能灯的厂家良莠不齐，节能灯质量更是五花八门，价格也从2.5元到16元不等，而就其节能效果而言，只有保证了节能灯产品的质量，才能达到节能的目的，否则不但起不到节能的效果，反而因为亮度不够、寿命太短，造成更大的浪费。在节能灯设计和制造中选择高稳定性、高一致性的铁氧体磁环则是保证高性能、高质量节能灯最重要的技术指标之一。
2 磁环工作原理及要求
在电光源产品中节能灯绝大部分都要用到脉冲变压器，而软磁铁氧体驱动磁环是其核心组件。它的控制作用如图1所示[2]：当通过它初级绕组的电流增加到一定的时候，磁环达到饱和，其有效磁导率迅速下降，初级电感迅速减小，此时电流变化速率为负，两次级绕组为反向绕线，故此时其感应电压也反向，导致两个三极管的工作状况转换，导通的转为截止，截止的转为导通，电路完成一个周期。
在此电路中驱动磁环是关键器件之一，它要求有适中而稳定的饱和磁通密度、高矩形度的磁滞回线、高一致性的电感量，属于一种工艺控制难度大、技术档次相对高的产品，而且其磁环一旦被设计应用到脉冲变压器中，很难被取代。对磁环的选择，要考虑多方面因素，如磁环的驱动能力、温升特性、居里温度、饱和磁通密度，尤其要考虑波形传送问题，即要求尽可能不失真地传输周期性序列的矩形脉冲。当电压源发出一个矩形脉冲，在次级感应的脉冲电压开始并不突然上升，脉冲结束时也不突然下降，而要经过一定的时间过程，即有一个“脉冲上升时间 tr”“脉冲下降时间 tf”（图2），另外，脉冲顶部也不是水平的，而是随时间下降，即有一个顶部跌落（称“顶降”用 D 表示）。此外，上升时还有一个“上冲波形”，希望脉冲前沿特性“顶降”及“脉冲下降时间”，“反冲”等尽可能小。顶降 D 可用下式表示：
（式中— 脉冲宽度；L1— 电感；r — 内阻）
可见，增大电感 L1，可使顶降 D 减小。脉冲上升时间主要与漏感和分布电容有关，减小上升时间，一般讲应使分布电容 Cs 尽量小，电感 L1 尽量大。下降时间则主要受主电感所支配。总之，为了得到良好的波形传输特性，要求变压器漏感和分布电容尽可能小，主电感必须大。[3]因此在选择磁环时，通常要求磁导率较高的材料，因为磁导率高则电感高，三极管的驱动电流就大，在使用中有利于三极管迅速饱和，而且可以减少绕制匝数，从而减少漏感和分布电容，降低激励电流波形的畸变，减少高次谐波含量。但是磁导率高了也会带来铁氧体材料本身的问题，如居里温度低、温升过快、材料稳定性差，安全系数低。为了兼顾多方面要求，笔者建议在电光源驱动磁环中尽量采用磁导率为3K～4K的材料，下面主要研究了初始磁导率为3.5K MnZn高性能铁氧体磁环的研制方法。
3 材料研制及磁环关键工艺
3.1 材料研制
3.1.1 原材料选择
在原材料的选择方面，要保证材料的高稳定性，必须坚持两个原则：一是高纯度，二是低活性。原材料的纯度越高，材料的稳定性会越好，因为过多的杂质很难控制，并使材料活性提高，烧结时许多杂质间的相互反应造成性能变异。当然，高纯度的材料价格就高，但作为小规格磁环其材料本身的成本比例并不高。另外，原材料的BET也是影响材料活性的重要因素，要得到低活性的材料必须选取BET相对较低且组合搭配的原材料。笔者所采用的原材料为：BET4.0sq·m/g、纯度99.5%以上的Fe2O3，BET5.0sq·m/g、Mn含量71%以上的Mn3O4，BET5.0sq·m/g、纯度99.7%以上的ZnO。通过球磨与砂磨串联的研磨工艺方法，使各种原材料充分混匀，实现了各批次间电磁性能的高度稳定性。
3.1.2 基方确定
基方基本上决定了材料的初始磁导率μi、居里温度Tc和二峰位置。根据“MnZn软磁铁氧体材料磁导率等导图”，如图3所示，要想达到磁导率3.5K，可选择的配方范围是很广的，所以还要根据居里温度的经验公式：[4]

（其中X、Z分别为Fe2O3、ZnO的摩尔分数，a=12.8℃，b=354℃）
这样就将Fe2O3、ZnO的比例基本确定了，再兼顾到饱和磁通密度和功率损耗的因素，配方将在一个比较小的范围内进行优化。经过多次正交实验，最终将基方确定为Fe2O3∶MnO∶ZnO=52.1∶34.6∶13.3mol%。
3.1.3 小料掺杂
辅助小料作为改性剂添加到基方里，主要改良材料的内禀特性，如磁滞回线的形状、温升特性、功率损耗、晶体形貌等。笔者所采用小料添加组合为：TiO2 300ppm，V2O5 400ppm，CaCO3 500ppm。主要可以起到以下作用：①小料掺杂中的TiO2会选择性地进入晶格中，改良材料的温度特性，使L-T曲线趋于平坦；②掺杂V2O5可起到助熔剂的作用。这种辅助小料在高温烧结时，会变成液态，为固相反应的离子迁移提供通道，使热量的传递更均匀快捷，可大大地降低烧结温度，提高密度；③掺杂CaCO3可与原材料中的微量杂质如SiO2等形成固溶物，在铁氧体的晶界间析出形成玻璃态，增加铁氧体的晶界电阻，提高Q值，降低涡流损耗，扼制异常晶粒的长大，同时进一步增加晶界的厚度，使晶体的晶界更加分明，晶粒更加均匀。
优质的材料只是制作高稳定性铁氧体驱动磁环的基础，要得到高一致性的磁环还必须做好以下关键工艺。
3.2 磁环关键工艺
3.2.1 成型工艺
成型对于小规格磁环T9×5×4而言似乎非常容易，其实不然。生坯高度和单重直接影响磁环的烧后尺寸，进而影响磁环的电感一致性。因此，控制磁环生坯压制精度十分重要，其中尺寸公差要求为：H=4.72±0.02mm，G=0.82±0.01g，同时要管控颗粒料的物理性能如收缩率、松装比重（笔者采用颗粒料物理性能为收缩率1.180，松装比1.30g/cm3）。同时为了提高成型效率，采用RP300高速旋转压机成型。
3.2.2 烧结工艺
目前绝大部分的铁氧体生产厂在磁环生产中，为达到电感的一致性，通常都要分选电感或综合因子。但分选只能单纯解决电感的一致性问题，根本无法控制磁环的其它性能，而电感对于脉冲变压器用磁环的要求只是其中一个参数。为了得到高稳定、高一致性的磁环，笔者通过多年摸索，采用 “双推板窑低温慢烧结法”和“双推板窑磁环串烧工艺”，有效解决了在烧结过程中磁环的一致性问题。
“双推板窑低温慢烧结法”其温度、气氛曲线如图4所示：最高烧结温度1280℃，保温4.5h，慢速降温直至冷却。采用此方法的目的是为了生成细小、致密、均匀的晶体结构，避免异晶和气孔的产生。
“双推板窑磁环串烧工艺”如图5所示：采用内壁喷涂氧化锆的匣钵（侧面需开微孔，利于气流通过）作为承烧物直接放在推板上，将磁环生坯叠起来，一串串地竖立，置于匣钵内烧结。这种烧结方式保证了烧结气氛、温度的均匀性，从而保证了磁环烧结的性能一致性，并提高了产量。
3.2.3涂装工艺
涂装质量会直接影响磁环的电感稳定性。在涂装的工艺方面必须控制好以下几点：(1)油漆的选择：选用的油漆除了要满足ROSH环保标准，还要考虑其附着力。可用刀片刮磁环涂层，若涂层成片状脱落，表明附着力较差，若涂层成粉状脱落，表明附着力较好，同时还要考虑其阻燃性。(2)涂层厚度的控制：涂层厚度会直接影响磁环电感，因此在确保耐电压1000V以上的前提下，必须要求涂层厚度控制在为0.2～0.3mm之间。(3)烘烤温度要求：在室温下自动喷涂均匀后进行烘烤，烘烤温度要求控制在90～110℃。避免温度过高造成磁环氧化或大的应力，使电感下降。(4)涂后应力消除：为有效消除涂装过程中由于热冲击和油漆附着力造成的部分应力，涂装之后将磁环在室温静放48h以上，尽量消除应力对电感的影响。
4 磁环的电磁性能和微观结构
4.1 磁环的L-T特性曲线
将烧结好的磁环T9×5×3用Φ0.31的漆包线饶10圈，用HP4284电桥配合烘箱进行测试，其L-T特性曲线如下图6所示，由图可知，在-20℃～180℃范围电感非常平稳，Tc=200℃，并且曲线在50℃～120℃范围内具有较好的负温特性，即电感量随温度的升高而下降，下降幅度约10%～15%。
通常脉冲变压器电感量下降，就意味着它的付边感应的电流减小，三极管的基极驱动电流也减小，其集电极电流也下降，是负温度系数。而三极管在温度升高时，电流放大系数增大，集电极电流增大。一般当三极管工作温度从常温上升到100℃时，电流放大系数大约要增大10%～15%，是正温度系数。[5]因此在节能灯工作过程中，随着环境温度升高，磁环的负温度系数与三极管正温度系数相互抵消或部分抵消，产生平衡作用，就可以使节能灯稳定工作，对解决和改善节能灯的温升问题极其有利。
4.2 磁环磁滞回线矩形度
用SY8232 B-H分析仪，在1kHz、550A/m条件下检测磁环磁滞回线如下图7，图中Bm=380mT，Br=285mT，因此Br/Bm=0.75，矩形度>70%。这种磁环的磁滞回线有明显的饱和点和饱和段，而且磁滞回线对称均匀，所以在线圈中感应的电流波形上升及下降时间会很短，因而三极管自身功率极小，温升自然很低，可以大大降低三极管热击穿几率，保证节能灯的可靠性。所以在选择磁环时，一定要选择磁滞回线矩形度较好的软磁材料，以提高节能灯的寿命。
4.3 磁环断面微观结构(SEM)
将检测后的磁环敲断，用扫描电镜分别放大500X、2000X观察其断面晶体形貌，如图8、图9所示，从图中可以看出，样品微观结构致密，晶粒饱满、排列整齐，粒径6～8μm，大小均匀，气孔极少。这种高密度、细晶粒的微观结构有利于生成平坦的L-T曲线，改善磁环的温度稳定性，降低损耗，使其具有优良的综合性能。
5 结语
目前在电光源脉冲变压器磁环的的生产中，大部分厂家都采用廉价的原材料和简单的制造工艺，单纯通过分选单匝电感或综合因子达到磁环性能的一致性，这是很不科学的，根本无法保证产品的质量。笔者认为：采用高品质原材料和精确的小料掺杂是制作高稳定性铁氧体磁环的基础；成型、烧结、涂装等关键工艺的控制则是得到高一致性铁氧体磁环的保证。
参考文献
[1] 甘子光. 中国照明工程年鉴(2008). 机械工业出版社.2008
[2] 陈传虞. 电子节能灯与电子镇流器的原理和制造[M]. 北京: 人民邮电出版社， 2004
[3] 王耕福. 铁氧体磁心应用与设计[J]. 国际电子变压器. 2009， 3.
[4] 黄永杰. 磁性材料[M]. 成都: 电子科技大学出版社. 1988
[5] 彭才贵. 节能灯用磁性材料的选择[J]. 中国照明电器. 1997