高頻開關(guān)電源變壓器用功率鐵氧體的制備技術(shù)

根據(jù)高頻開關(guān)電源變壓器用PC44、PC50等功率鐵氧體材料的高起始磁導(dǎo)率(μi)、飽和磁通密度(Bs)、低功率損耗(Rc)等特性要求，分別討論了配方、添加物和燒結(jié)工藝等關(guān)鍵技術(shù)對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，進(jìn)一步增加了對電子設(shè)備的多功能化和高密度化的需求，作為電子設(shè)備不可缺少的開關(guān)電源，迫切要求實現(xiàn)小型輕量化。而為了使開關(guān)電源小型化，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。

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，還需要研究和控制它們的密度、晶粒尺寸、氣孔率以及它們在晶粒內(nèi)部和晶粒之間的分布等。因此，制備高性能功率鐵氧體材料，配方是基礎(chǔ)、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，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)，而摻入有效的添加物并與適當(dāng)?shù)臒Y(jié)工藝相匹配，則對鐵氧體的性能具有決定意義，影響著固相反應(yīng)的程度及最后的相組成、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，從而確保材料的主要特性參數(shù)達(dá)到和諧的統(tǒng)一。

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、高起始磁導(dǎo)率(μi)和高振幅磁導(dǎo)率(μa)，同時為了避免變壓器在高頻下發(fā)熱擊穿，材料的功率損耗(Rc)應(yīng)盡量小，希望呈負(fù)的溫度系數(shù)?？梢哉f，衡量功率鐵氧體材料優(yōu)劣的3個重要磁性能參數(shù)是μi、曰Bs和Rc以及這些參數(shù)的頻率、溫度和時間穩(wěn)定性，它們之間是一個矛盾的統(tǒng)一體，某些參數(shù)甚至嚴(yán)重對立，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)，在配方、添加物和燒結(jié)工藝上使K1有一個好的溫度特性，將K1的最小值調(diào)節(jié)到合適的位置，并使其趨向于零。

μi的大小對磁芯具有高電感因數(shù)(AL)的貢獻(xiàn)最為直接，因此，保證鐵氧體有較高的μi值是必須的。但另一方面，μi與材料截止頻率fr之間相互制約，提高材料的使用頻率與提高μi是相互對立的，在實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，是由配方和密度決定的。對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，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。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，其中心位置配方約為：FezO3：MnO：znO=53．5：36．5：10(摩爾分?jǐn)?shù))，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、PC50而言，由于其Bs都比較高，必須采用過Fe配方，因為Fe2O3，含量在(51～55)mO1％范圍內(nèi)，Bs隨Fe2O3含量的增加而增大(反之，ZnO含量過多則會造成材料高溫，或者Bs和tc的下降)。最佳的配方組合可通過正交工藝試驗，結(jié)合加雜和燒結(jié)工藝形式優(yōu)選確定。

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，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)，更有助于使材料的主要特性參數(shù)達(dá)到和諧的統(tǒng)一。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。

式中：Ms為材料的飽和磁化強(qiáng)度；
β為阻尼系數(shù)。

由式(1)可知，，與d(μ1一1)成反比例關(guān)系，所以，通過摻入添加物和燒結(jié)工藝的調(diào)整使晶粒細(xì)化，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)。但晶粒尺寸的無限減小，必定增大功率損耗。另一方面，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。

對通常工作在幾百kHz高頻下的PC44、PC50材料而言，功率損耗主要由磁滯損耗Rh和渦流損耗Pe兩部分組成。由于hocBm3(Bm為工作磁通密度)，可見為降低Ph,材料的Bs要高，成分的均勻性要好(采用高純原材料)，同時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。渦流損耗用式(2)表示。
Pe=(丌2／4)·r2·lf2·Bm2／p （2）
式中：r為平均晶粒尺寸；
p為電阻率。

可見，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，Pe會變小，但Ph會增大)。

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。眾所周知，摻入一些有益的添加物如Sn02、TiO2、Co2O3等，可進(jìn)一步控制材料的K1值，使其在較寬的溫度范圍內(nèi)變得很??；復(fù)合添加CaO和SiO2，可增大材料的電阻率、降低材料的功率損耗。實際上，對Mn—zn鐵氧體性能提高有實用價值的添加物較多，它們的主要作用可分為3類：第一類添加物在晶界處偏析，影響晶界電阻率；第二類影響鐵氧體燒結(jié)時的微觀結(jié)構(gòu)變化，通過燒結(jié)溫度和氧含量的控制可改善微觀結(jié)構(gòu)，降低功率損耗、提高材料磁導(dǎo)率的溫度和時間穩(wěn)定性、擴(kuò)展頻率等；第三類則固溶于尖晶石結(jié)構(gòu)之中，影響材料磁性能。Ca、Si等元素的添加物屬第一類和第二類；Bi、Mo、V、P等元素屬第二類；_Ti、Cr、C0、Al、Mg、Ni、Cu、Sn等元素的主要作用屬第三類。

圖2所示為MoO，、CuO等6種添加物對 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；圖3示出了摻入SiO2對Mn—Zn鐵氧體磁導(dǎo)率的影響；圖4所示為TiO2添加量對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Mn—zn鐵氧體在100 kHz時的電阻率和比損耗系數(shù)(tanδ6／μi)的影響。