高頻開關(guān)電源變壓器用功率鐵氧體的制備技術(shù) 1
摘要：根據(jù)高頻開關(guān)電源變壓器用PC44痹屹、PC50等功率鐵氧體材料的高起始磁導(dǎo)率（μi）境氢、飽和磁通密度（Bs）、低功率損耗（Rc）等特性要求车要，分別討論了配方允粤、添加物和燒結(jié)工藝等關(guān)鍵技術(shù)對(duì)該類材料制備的影響。
O 引言
隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展翼岁，進(jìn)一步增加了對(duì)電子設(shè)備的多功能化和高密度化的需求类垫，作為電子設(shè)備不可缺少的開關(guān)電源，迫切要求實(shí)現(xiàn)小型輕量化琅坡。而為了使開關(guān)電源小型化悉患，首先要求開關(guān)電源變壓器小型化。工作頻率更高的PC44及PC50功率鐵氧體材料和磁芯就是為適應(yīng)這種需求而發(fā)展起來的榆俺。
鐵氧體的性能并不是僅僅由其化學(xué)成分及晶體結(jié)構(gòu)決定的售躁，還需要研究和控制它們的密度、晶粒尺寸扯殴、氣孔率以及它們?cè)诰Я?nèi)部和晶粒之間的分布等缰鹏。因此，制備高性能功率鐵氧體材料鬓惶，配方是基礎(chǔ)榄路、燒結(jié)是關(guān)鍵。配方和密度決定著材料的飽和磁通密度Bs（功率鐵氧體磁芯通常工作于有直流偏置場的狀態(tài)下庞炕，高Bs是為了保證磁芯具有高直流疊加特性的需要）和居里溫度（fc）心篡，而摻入有效的添加物并與適當(dāng)?shù)臒Y(jié)工藝相匹配，則對(duì)鐵氧體的性能具有決定意義盒俏，影響著固相反應(yīng)的程度及最后的相組成蔼说、密度和晶粒大小等，使軟磁鐵氧體的微觀結(jié)構(gòu)得到更有效的控制敷主，從而確保材料的主要特性參數(shù)達(dá)到和諧的統(tǒng)一肩雾。
1 高性能功率鐵氧體的主配方選擇
為提高功率轉(zhuǎn)換效率并避免飽和，要求用在高頻開關(guān)電源變壓器中的功率鐵氧體材料具有高Bs究滞、高起始磁導(dǎo)率（μi）和高振幅磁導(dǎo)率（μa），同時(shí)為了避免變壓器在高頻下發(fā)熱擊穿装获，材料的功率損耗（Rc）應(yīng)盡量小瑞信，希望呈負(fù)的溫度系數(shù)厉颤。可以說凡简，衡量功率鐵氧體材料優(yōu)劣的3個(gè)重要磁性能參數(shù)是μi逼友、曰Bs和Rc以及這些參數(shù)的頻率、溫度和時(shí)間穩(wěn)定性秤涩，它們之間是一個(gè)矛盾的統(tǒng)一體帜乞，某些參數(shù)甚至嚴(yán)重對(duì)立，將它們有機(jī)統(tǒng)一的總體思路是控制磁晶各向異性常數(shù)K1～t曲線及鐵氧體的微觀結(jié)構(gòu)筐眷，在配方黎烈、添加物和燒結(jié)工藝上使K1有一個(gè)好的溫度特性，將K1的最小值調(diào)節(jié)到合適的位置匀谣，并使其趨向于零照棋。
μi的大小對(duì)磁芯具有高電感因數(shù)（AL）的貢獻(xiàn)最為直接，因此武翎，保證鐵氧體有較高的μi值是必須的烈炭。但另一方面，μi與材料截止頻率fr之間相互制約督巍，提高材料的使用頻率與提高μi是相互對(duì)立的卫道，在實(shí)際材料中只能相互兼顧。
就功率鐵氧體的Bs鼠和居里溫度tc來說单旺，是由配方和密度決定的秒勿。對(duì)于功率鐵氧體的主配方，國內(nèi)外軟磁科研工作者已做了較深入的系統(tǒng)研究鸳咐，并把它制成如圖1所示的相圖（無添加物）的形式使之更直觀地表現(xiàn)出來嘁拖。日本TDK公司經(jīng)過多年研究，進(jìn)一步在Mn—zn鐵氧體成分相圖中劃定了取值區(qū)域泥觉，其中心位置配方約為：FezO3：MnO：znO=53．5：36．5：10（摩爾分?jǐn)?shù)）瘸利，這與國內(nèi)許多企業(yè)PC44的主配方FezO3：MnO：ZnO=53．3：36．5：1O．2（摩爾分?jǐn)?shù)）基本一致。就PC44紊捉、PC50而言怯路，由于其Bs都比較高，必須采用過Fe配方溯剑，因?yàn)镕e2O3蛉加，含量在（51～55）mO1％范圍內(nèi)，Bs隨Fe2O3含量的增加而增大（反之缸逃，ZnO含量過多則會(huì)造成材料高溫针饥，或者Bs和tc的下降）。最佳的配方組合可通過正交工藝試驗(yàn)，結(jié)合加雜和燒結(jié)工藝形式優(yōu)選確定丁眼。
2 高性能功率鐵氧體的添加物選擇
功率鐵氧體的化學(xué)成分不是決定鐵氧體性質(zhì)的唯一因素筷凤，陽離子和晶點(diǎn)缺陷在晶位中的分布起著頭等重要的作用。通過摻入添加物和工藝調(diào)整來改善鐵氧體的微觀結(jié)構(gòu)苞七，更有助于使材料的主要特性參數(shù)達(dá)到和諧的統(tǒng)一藐守。根據(jù)基礎(chǔ)磁學(xué)理論，功率鐵氧體材料的截止頻率fr與鐵氧體的晶粒大小d右式（1）關(guān)系蹂风。
式中：Ms為材料的飽和磁化強(qiáng)度卢厂；
β為阻尼系數(shù)。
由式（1）可知惠啄，慎恒，與d（μ1一1）成反比例關(guān)系，所以织岁，通過摻入添加物和燒結(jié)工藝的調(diào)整使晶粒細(xì)化赃织，減小晶粒尺寸，可以提高材料的截止頻率（也就提高了其工作頻率）着脐。但晶粒尺寸的無限減小氨筑，必定增大功率損耗。另一方面畸居，μ1的高低（與燒結(jié)溫度有較大關(guān)系）也關(guān)系到fr的大小瑰齐。
對(duì)通常工作在幾百kHz高頻下的PC44、PC50材料而言栅洁，功率損耗主要由磁滯損耗Rh和渦流損耗Pe兩部分組成仔醒。由于hocBm3（Bm為工作磁通密度），可見為降低Ph,材料的Bs要高劳诽，成分的均勻性要好（采用高純?cè)牧希┬蚱溃瑫r(shí)必須改善晶粒大小的一致性并提高材料密度，盡量減小內(nèi)應(yīng)力定歧。渦流損耗用式（2）表示辽廊。
Pe=（丌2／4）·r2·lf2·Bm2／p （2）
式中：r為平均晶粒尺寸；
p為電阻率官地。
可見酿傍，在高頻下降低材料功率損耗主要有兩條途徑：提高電阻率；控制鐵氧體的晶粒在最佳狀態(tài)范圍內(nèi)（晶粒過小驱入，Pe會(huì)變小赤炒，但Ph會(huì)增大）。
控制晶粒大小和電阻率的最有效辦法是合理地?fù)饺颂砑游锖透纳茻Y(jié)工藝亏较。眾所周知莺褒，摻入一些有益的添加物如Sn02掩缓、TiO2、Co2O3等遵岩，可進(jìn)一步控制材料的K1值拾因，使其在較寬的溫度范圍內(nèi)變得很小旷余；復(fù)合添加CaO和SiO2，可增大材料的電阻率扁达、降低材料的功率損耗正卧。實(shí)際上，對(duì)Mn—zn鐵氧體性能提高有實(shí)用價(jià)值的添加物較多缨拇，它們的主要作用可分為3類：第一類添加物在晶界處偏析茅早，影響晶界電阻率；第二類影響鐵氧體燒結(jié)時(shí)的微觀結(jié)構(gòu)變化类紧，通過燒結(jié)溫度和氧含量的控制可改善微觀結(jié)構(gòu)肘论，降低功率損耗、提高材料磁導(dǎo)率的溫度和時(shí)間穩(wěn)定性抵思、擴(kuò)展頻率等悉砌；第三類則固溶于尖晶石結(jié)構(gòu)之中，影響材料磁性能焙句。Ca符晃、Si等元素的添加物屬第一類和第二類；Bi港摘、Mo绒双、V、P等元素屬第二類脖嗽；_Ti还织、Cr、C0主巍、Al冠息、Mg、Ni煤禽、Cu铐达、Sn等元素的主要作用屬第三類。
圖2所示為MoO檬果，瓮孙、CuO等6種添加物對(duì) Mn—zn鐵氧體磁導(dǎo)率的影響，其中μ1和分別表示未摻添加物和摻入了少量添加物的鐵氧體的磁導(dǎo) 率选脊；圖3示出了摻入SiO2對(duì)Mn—Zn鐵氧體磁導(dǎo)率的影響杭抠；圖4所示為TiO2添加量對(duì)Mn—Zn鐵氧體μi一t曲線的影響；圖5（a）與圖5（b）分別示出的是復(fù)合添加SiO2、CaO一對(duì)Mn—zn鐵氧體在100 kHz時(shí)的電阻率和比損耗系數(shù)（tanδ6／μi）的影響偏灿。
日本東北金屬公司科研人員在開發(fā)SB—lM（相當(dāng)于PC50）材料時(shí)丹诀，發(fā)現(xiàn)通用的復(fù)合添加物SiO2CaO有一部分會(huì)在晶粒內(nèi)溶解，從而增大磁滯損耗翁垂，在500 kHz～1MHz條件下铆遭，其降低功率損耗的效果并不好．．為此，他們開展了卓有成效的研究工作减磷，期望找出不使磁滯損耗增大的更有效提高電阻率的添加物哮霹。表l列出了他們的研究成果，在這8種添加物中氏赴，Al2O3墅轩、SnO2、TiO2都溶解于晶粒內(nèi)服酥，幾乎看不到有提高電阻率的效果付昧，其它添加物主要在晶界內(nèi)游離。這些添加物中找肤，HfO2對(duì)提高電阻率最為顯著[2>严齿，其降低渦流損耗效果最佳。
O 引言
隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展翼岁，進(jìn)一步增加了對(duì)電子設(shè)備的多功能化和高密度化的需求类垫，作為電子設(shè)備不可缺少的開關(guān)電源，迫切要求實(shí)現(xiàn)小型輕量化琅坡。而為了使開關(guān)電源小型化悉患，首先要求開關(guān)電源變壓器小型化。工作頻率更高的PC44及PC50功率鐵氧體材料和磁芯就是為適應(yīng)這種需求而發(fā)展起來的榆俺。
鐵氧體的性能并不是僅僅由其化學(xué)成分及晶體結(jié)構(gòu)決定的售躁，還需要研究和控制它們的密度、晶粒尺寸扯殴、氣孔率以及它們?cè)诰Я?nèi)部和晶粒之間的分布等缰鹏。因此，制備高性能功率鐵氧體材料鬓惶，配方是基礎(chǔ)榄路、燒結(jié)是關(guān)鍵。配方和密度決定著材料的飽和磁通密度Bs（功率鐵氧體磁芯通常工作于有直流偏置場的狀態(tài)下庞炕，高Bs是為了保證磁芯具有高直流疊加特性的需要）和居里溫度（fc）心篡，而摻入有效的添加物并與適當(dāng)?shù)臒Y(jié)工藝相匹配，則對(duì)鐵氧體的性能具有決定意義盒俏，影響著固相反應(yīng)的程度及最后的相組成蔼说、密度和晶粒大小等，使軟磁鐵氧體的微觀結(jié)構(gòu)得到更有效的控制敷主，從而確保材料的主要特性參數(shù)達(dá)到和諧的統(tǒng)一肩雾。
1 高性能功率鐵氧體的主配方選擇
為提高功率轉(zhuǎn)換效率并避免飽和，要求用在高頻開關(guān)電源變壓器中的功率鐵氧體材料具有高Bs究滞、高起始磁導(dǎo)率（μi）和高振幅磁導(dǎo)率（μa），同時(shí)為了避免變壓器在高頻下發(fā)熱擊穿装获，材料的功率損耗（Rc）應(yīng)盡量小瑞信，希望呈負(fù)的溫度系數(shù)厉颤。可以說凡简，衡量功率鐵氧體材料優(yōu)劣的3個(gè)重要磁性能參數(shù)是μi逼友、曰Bs和Rc以及這些參數(shù)的頻率、溫度和時(shí)間穩(wěn)定性秤涩，它們之間是一個(gè)矛盾的統(tǒng)一體帜乞，某些參數(shù)甚至嚴(yán)重對(duì)立，將它們有機(jī)統(tǒng)一的總體思路是控制磁晶各向異性常數(shù)K1～t曲線及鐵氧體的微觀結(jié)構(gòu)筐眷，在配方黎烈、添加物和燒結(jié)工藝上使K1有一個(gè)好的溫度特性，將K1的最小值調(diào)節(jié)到合適的位置匀谣，并使其趨向于零照棋。
μi的大小對(duì)磁芯具有高電感因數(shù)（AL）的貢獻(xiàn)最為直接，因此武翎，保證鐵氧體有較高的μi值是必須的烈炭。但另一方面，μi與材料截止頻率fr之間相互制約督巍，提高材料的使用頻率與提高μi是相互對(duì)立的卫道，在實(shí)際材料中只能相互兼顧。
就功率鐵氧體的Bs鼠和居里溫度tc來說单旺，是由配方和密度決定的秒勿。對(duì)于功率鐵氧體的主配方，國內(nèi)外軟磁科研工作者已做了較深入的系統(tǒng)研究鸳咐，并把它制成如圖1所示的相圖（無添加物）的形式使之更直觀地表現(xiàn)出來嘁拖。日本TDK公司經(jīng)過多年研究，進(jìn)一步在Mn—zn鐵氧體成分相圖中劃定了取值區(qū)域泥觉，其中心位置配方約為：FezO3：MnO：znO=53．5：36．5：10（摩爾分?jǐn)?shù)）瘸利，這與國內(nèi)許多企業(yè)PC44的主配方FezO3：MnO：ZnO=53．3：36．5：1O．2（摩爾分?jǐn)?shù)）基本一致。就PC44紊捉、PC50而言怯路，由于其Bs都比較高，必須采用過Fe配方溯剑，因?yàn)镕e2O3蛉加，含量在（51～55）mO1％范圍內(nèi)，Bs隨Fe2O3含量的增加而增大（反之缸逃，ZnO含量過多則會(huì)造成材料高溫针饥，或者Bs和tc的下降）。最佳的配方組合可通過正交工藝試驗(yàn)，結(jié)合加雜和燒結(jié)工藝形式優(yōu)選確定丁眼。
2 高性能功率鐵氧體的添加物選擇
功率鐵氧體的化學(xué)成分不是決定鐵氧體性質(zhì)的唯一因素筷凤，陽離子和晶點(diǎn)缺陷在晶位中的分布起著頭等重要的作用。通過摻入添加物和工藝調(diào)整來改善鐵氧體的微觀結(jié)構(gòu)苞七，更有助于使材料的主要特性參數(shù)達(dá)到和諧的統(tǒng)一藐守。根據(jù)基礎(chǔ)磁學(xué)理論，功率鐵氧體材料的截止頻率fr與鐵氧體的晶粒大小d右式（1）關(guān)系蹂风。
式中：Ms為材料的飽和磁化強(qiáng)度卢厂；
β為阻尼系數(shù)。
由式（1）可知惠啄，慎恒，與d（μ1一1）成反比例關(guān)系，所以织岁，通過摻入添加物和燒結(jié)工藝的調(diào)整使晶粒細(xì)化赃织，減小晶粒尺寸，可以提高材料的截止頻率（也就提高了其工作頻率）着脐。但晶粒尺寸的無限減小氨筑，必定增大功率損耗。另一方面畸居，μ1的高低（與燒結(jié)溫度有較大關(guān)系）也關(guān)系到fr的大小瑰齐。
對(duì)通常工作在幾百kHz高頻下的PC44、PC50材料而言栅洁，功率損耗主要由磁滯損耗Rh和渦流損耗Pe兩部分組成仔醒。由于hocBm3（Bm為工作磁通密度），可見為降低Ph,材料的Bs要高劳诽，成分的均勻性要好（采用高純?cè)牧希┬蚱溃瑫r(shí)必須改善晶粒大小的一致性并提高材料密度，盡量減小內(nèi)應(yīng)力定歧。渦流損耗用式（2）表示辽廊。
Pe=（丌2／4）·r2·lf2·Bm2／p （2）
式中：r為平均晶粒尺寸；
p為電阻率官地。
可見酿傍，在高頻下降低材料功率損耗主要有兩條途徑：提高電阻率；控制鐵氧體的晶粒在最佳狀態(tài)范圍內(nèi)（晶粒過小驱入，Pe會(huì)變小赤炒，但Ph會(huì)增大）。
控制晶粒大小和電阻率的最有效辦法是合理地?fù)饺颂砑游锖透纳茻Y(jié)工藝亏较。眾所周知莺褒，摻入一些有益的添加物如Sn02掩缓、TiO2、Co2O3等遵岩，可進(jìn)一步控制材料的K1值拾因，使其在較寬的溫度范圍內(nèi)變得很小旷余；復(fù)合添加CaO和SiO2，可增大材料的電阻率扁达、降低材料的功率損耗正卧。實(shí)際上，對(duì)Mn—zn鐵氧體性能提高有實(shí)用價(jià)值的添加物較多缨拇，它們的主要作用可分為3類：第一類添加物在晶界處偏析茅早，影響晶界電阻率；第二類影響鐵氧體燒結(jié)時(shí)的微觀結(jié)構(gòu)變化类紧，通過燒結(jié)溫度和氧含量的控制可改善微觀結(jié)構(gòu)肘论，降低功率損耗、提高材料磁導(dǎo)率的溫度和時(shí)間穩(wěn)定性抵思、擴(kuò)展頻率等悉砌；第三類則固溶于尖晶石結(jié)構(gòu)之中，影響材料磁性能焙句。Ca符晃、Si等元素的添加物屬第一類和第二類；Bi港摘、Mo绒双、V、P等元素屬第二類脖嗽；_Ti还织、Cr、C0主巍、Al冠息、Mg、Ni煤禽、Cu铐达、Sn等元素的主要作用屬第三類。
圖2所示為MoO檬果，瓮孙、CuO等6種添加物對(duì) Mn—zn鐵氧體磁導(dǎo)率的影響，其中μ1和分別表示未摻添加物和摻入了少量添加物的鐵氧體的磁導(dǎo) 率选脊；圖3示出了摻入SiO2對(duì)Mn—Zn鐵氧體磁導(dǎo)率的影響杭抠；圖4所示為TiO2添加量對(duì)Mn—Zn鐵氧體μi一t曲線的影響；圖5（a）與圖5（b）分別示出的是復(fù)合添加SiO2、CaO一對(duì)Mn—zn鐵氧體在100 kHz時(shí)的電阻率和比損耗系數(shù)（tanδ6／μi）的影響偏灿。
日本東北金屬公司科研人員在開發(fā)SB—lM（相當(dāng)于PC50）材料時(shí)丹诀，發(fā)現(xiàn)通用的復(fù)合添加物SiO2CaO有一部分會(huì)在晶粒內(nèi)溶解，從而增大磁滯損耗翁垂，在500 kHz～1MHz條件下铆遭，其降低功率損耗的效果并不好．．為此，他們開展了卓有成效的研究工作减磷，期望找出不使磁滯損耗增大的更有效提高電阻率的添加物哮霹。表l列出了他們的研究成果，在這8種添加物中氏赴，Al2O3墅轩、SnO2、TiO2都溶解于晶粒內(nèi)服酥，幾乎看不到有提高電阻率的效果付昧，其它添加物主要在晶界內(nèi)游離。這些添加物中找肤，HfO2對(duì)提高電阻率最為顯著[2>严齿，其降低渦流損耗效果最佳。
聲明：本網(wǎng)站所收集的部分公開資料來源于互聯(lián)網(wǎng)镀翁，轉(zhuǎn)載的目的在于傳遞更多信息及用于網(wǎng)絡(luò)分享氯北，并不代表本站贊同其觀點(diǎn)和對(duì)其真實(shí)性負(fù)責(zé)，也不構(gòu)成任何其他建議卸悼。本站部分作品是由網(wǎng)友自主投稿和發(fā)布蹦漠、編輯整理上傳，對(duì)此類作品本站僅提供交流平臺(tái)车海，不為其版權(quán)負(fù)責(zé)笛园。如果您發(fā)現(xiàn)網(wǎng)站上所用視頻、圖片侍芝、文字如涉及作品版權(quán)問題研铆，請(qǐng)第一時(shí)間告知，我們將根據(jù)您提供的證明材料確認(rèn)版權(quán)并按國家標(biāo)準(zhǔn)支付稿酬或立即刪除內(nèi)容州叠，以保證您的權(quán)益棵红！聯(lián)系電話：010-58612588 或 Email:editor@mmsonline.com.cn。
網(wǎng)友評(píng)論
匿名:
最新反饋
注冊(cè)獲取更多行業(yè)信息
- 暫無反饋
無須注冊(cè)云拔，輕松溝通