锰锌铁氧体的发展

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锰锌铁氧体材料技术性能的拓展

刘九皋1,2 傅晓敏2

( 1中国计量学院东磁研究院 浙江杭州 310018 ) (2横店集团东磁股份有限公司 浙江东阳 322118)



摘 要：综述了近两年来世界各大公司锰锌铁氧体材料技术特性日新月异的进步，指出了该材料系列三大板

块(高μ，高Bs低功耗，高μQ)相互交叉，求新求全发展的动向，总结了新材料两宽(宽温，宽频)、两高(高饱和磁通密度，高直流叠加性能)、两低(低损耗或低功耗，低谐波失真)的技术特点，提出了以现有材料体系为基础的研发思路。

关键词：软磁铁氧体材料 宽频 宽温 直流叠加 低谐波失真

Development of Mn-Zn ferrite in magnetic properties

LIU Jiu-gao1,2, FU Xiao-min2

1. Research Institute of DMEGC, China Institute of Metrology, Hangzhou 310018, China; 2. Dongyang Magnetic enterprise group Co.LTD, Dongyang 322118, China

Abstract: In this paper, the latest development of Mn-Zn ferrites of some main enterprises in the world was summarized. This material series mainly have three part: high permeability, high Bs low power loss and high μQ, which are crossing each other. The main characteristics of their development are “two wide” (wide temperature range, wide frequency range), “two high” (high Bs, high DC-bias performance) and “two low” (low loss, low Total Harmonic Distortion (THD)). In addition, the developing direction of Mn-Zn ferrite was proposed, which was based on the existing Mn-Zn ferrite.

Key words: Soft ferrite materials; wide frequency; wide temperature; DC-bias; Low THD

近两年来，世界各大铁氧体公司竞相提高锰锌铁氧体材料技术性能，以适应日益拓展的应用领域，使这种基础功能材料的发展出现了勃勃生机。在IT产业、电力电子，特别是网络通信等用户的苛求下，为保证设备系统稳定、可靠、高效运行，一种求新、求全的理念，已逐渐主导着铁氧体软磁材料的研发方向[1]。这就是要求材料具有更高的饱和磁通密度Bs，更好的直流叠加特性，更低的比损耗系数tgδ/μi(包括高磁通密度下的功耗Pc)和总谐波失真系数(THD)以及更宽的使用频率和更广的使用温度范围。即所谓两宽(宽频、宽温)、两高(高Bs、高DC-Bias性能)、两低(低的比损耗系数tgδ/μi或Pc、低谐波失真THD)兼具的特点。

一、高Bs、高DC-Bias特性

高Bs材料也就是功率铁氧体材料，其饱和磁通密度Bs越高，则磁心处于正常工作状态时越不容易饱和。新的设计理念不再偏重使磁心在高磁通密度下工作以降低铜线绕组功耗，因为Mn-Zn铁氧体磁心在这种情况下功耗会急剧增大，绕组功耗的降低远不能抵偿磁心材料功耗的增加。所以，新的设计理念是以低的交流励磁电平而不再以高的励磁电平激励元件，即让磁心工作在“可用磁通密度”，而不是硬饱和状态，以避免磁通密度处于磁滞回线非线性区域时导致磁导率陡直下降，磁心绕组因阻抗降低而恶性发热甚至烧毁。一般“可用磁通密度”为饱和磁通密度的80%，提高Bs的途径不外乎调整工艺，如提高磁心密度和优选配方及有效添



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加物。近两年来，国内外厂家在提高Bs，特别是高温Bs方面，不遗余力的推陈出新，取得了不少出色的成果[2~5]。如德国EPCOS和荷兰Philips公司去年推出的N45和3B46材料，其常温Bs为550mT，100℃时为435mT；荷兰Philips公司改进后的3C92材料，常温Bs为540mT，100℃时达460mT，140℃时尚达400mT；日本FDK公司去年推出的4H45和4H47材料，100℃时Bs分别为450mT和470mT；日本TDK公司去年推出PC95后，今年又适应市场需求推出了宽温高Bs PC90材料，其常温Bs为540mT，100℃时为450mT，且100kHz、200mT、100℃状态下功耗为320mW/cm3；东磁公司DMR2KP及DMR1.2KH材料高温Bs分别为460mT和470mT，已接近FDK公司4H47和Philips公司3C92水平。在功率铁氧体材料市场拓展方面，各公司真可谓你方唱罢我登场，使出了浑身解数。高μ材料常温Bs值也刷新到了430~450mT的水平，除改善直流叠加特性外，还大大降低了装配压力对磁心电感的影响。

当然，Bs，特别是高温Bs的提高，不仅仅是为了传输更大的功率，同时还可以大大改善磁导率的直流叠加特性。所谓高直流叠加特性，是指以下几个方面：①在材料的μΔ~HDC性能曲线上，增量磁导率μΔ(或称叠加磁导率)开始下降的临界直流磁场要高，即材料μΔ不变时所能承受的叠加直流电流要高；②在临界直流磁场以上，μΔ的下降趋势越缓慢越好，即叠加上直流以后的磁心电感量不能下降太低，其值越高越好；③上述磁心电感量是在工作的交变场下测得，要求这个交变场频率越高越好，相应的场强也是越高越好；④工作环境要求宽温，用户特别重视高温直流叠加性能，甚至高达125℃，Philips公司3C93材料已实现140℃功耗谷点和相应的Bs要求。而直流叠加特性的改善，除上述高Bs要求外，还应得益于剩余磁通密度Br值的降低。理论和实践证明[6]，只有提高Bs同时降低Br，即增大ΔB值，使材料的磁滞回线倾斜成恒导型，才具有良好的DC-Bias特性。材料制造商明白，Bs受到理论值上限的约束，已无多少提高的余地，而Br却可通过多种途径进一步降低，所以在改善直流叠加特性方面，各大公司的锰锌铁氧体材料除提高Bs外，还刻意追求低Br，特别是高温Br，高温Br值一般在50~60mT，目前东磁公司试验水平已降到30mT。有高温直流叠加特性要求的材料，其功耗谷点必然在高温，谷点处Br值接近最低。因为Br~T曲线同Pcv~T曲线趋势相近，而Bs则是随温度的升高而降低。所以，在配方和添加物的选择上，必须充分考虑Br和Bs不同的温度特性，不然，经常会出现高温Br大于常温Br的情况，以致改善直流叠加特性的举措失败。表1列出了各大公司最新推出的高Bs材料性能。

表1 世界名大公司最新推出的高Bs材料性能表

公司 EPCOS

牌号 N45

3B46 3C92 3C93

FDK



初始磁导

率 μi 3800 3800 1500 1800 2000

常温(25℃) Bs/mT 550 545 540 520 520

高温(100℃) Bs/mT

谷点功耗/mW·cm-3

Philips

4H45

435 tgδ/μi 2×10-6(100kHz,25℃)

435 tgδ/μi 1.6×10-6(100kHz,25℃) 460

350(100℃,100kHz,200mT)

400(140℃)

430 350(140℃,100kHz,200mT) 360(140℃) 300(140℃,500kHz,50mT)

450 450(100℃,100kHz,200mT)

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