锰锌铁氧体材料技术性能的拓展

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~H DC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
二、低损耗、低失真特性
对于Mn-Zn铁氧体材料，降低损耗值是几代人不懈追求的课题。

模拟通信年代，为保证载波通信设备的稳定性，日本NEC/TOKIN公司最早用共沉淀法开发了
优铁氧体2001F和超优铁氧体1000SF［7］材料，其特点是μQ乘积高(1000SF达1.25×106)，比温度系数αF及比减落系数D F小，特别是磁滞常数ηB大大减小，因而通信系统总谐波失真THD值小。

μQ乘积等于比损耗系数tgδ/μi的倒数，是材料的本征特性之一，当磁心开具气隙后，由于退磁作用，初始磁导率μi降为有效磁导率μe，其比值μe/μi称为降导比，按斯诺克公式，磁心的μQ乘积不变，所以开气隙磁心的有效Q值及有效αμ、D F及ηB等均按降导比的不同方次幂得到改善。

近期，EPCOS公司的N48材料(接近于TOKIN公司2001F)又焕发生机，加上去年又出现了前文提及的N45和3B46材料，这些高μQ、低谐波失真材料被赋予高Bs的新特征后，在强电和弱电领域独领风骚，正成为热销品种。

东磁公司以DMR2KD(相当于2001F和N48)、DMR4KBQ[8](相当于N45和3B46)低损耗、低谐波失真材料为基础，以提高磁导率、降低比损耗为核心，开发了一系列低损耗、低谐波失真材料，如R5KB、R7KB、R10KD、R12KF、R15KTF等兼顾多项性能的Mn-Zn铁氧体磁心，详见后文所附材料开发体系表。

不同频率范围各种损耗所占比例不同，利用SY8232 BH分析仪，可在一定频率和磁通密度下对其进行分离。

低频下，铁氧体材料以磁滞损耗为主，其值为磁滞回线的面积与频率的乘积，所以与矫顽力Hc的大小密切相关，配方中Fe2O3含量增加，可使Hc降低，因而磁滞损耗也相应降低。

而高频下剩余损耗占主导地位，这种损耗是由畴壁共振产生的，通过细化晶粒，减少畴壁，抑制畴壁共振，从而降低剩余损耗。

另外，配方中Fe2O3含量增加，或者ZnO含量减少，导致初始磁导率下降，使μ~f特性的共振频率移向高端，也可抑制剩余损耗。

涡流损耗与频率的二次方成正比，通过在晶界形成高电阻层可减小涡流损耗。

一般认为涡流损耗与电阻率成反比。

在前述增大Fe2O3含量以降低磁滞损耗和剩余损耗的措施中，涡流损耗也可以随之降低。

虽然，随着Fe2O3含量的增加，Fe2+的生成量也随之增加，Fe2+ Fe3+之间的电子迁移加剧，会造成一定温度下电阻率下降，但是随着Fe2O3含量的增加，功耗随温度变化Pcv-T曲线的谷点向低温移动，这个温度点(谷点)的磁心损耗值最小，因而其直流电阻率也相应最大。

综上所述，合理选择配方，调整Fe2O3含量，优选合适的添加物，可以使μ-T 曲线平坦(即K1-T曲线平缓)，获得平缓且低值的Pcv-T曲线，使材料在较宽温度范围保持低功耗。

在全面降低三种损耗、改善温度特性的同时，不少研究者[9]都重点研究了磁滞常数ηB的降低方法，同时还研究了磁心形状和线圈结构与ηB三者联合作用对磁心电感总谐波失真THD的影响。

通过对THD的改进，推出了一系列低磁滞损耗材料。

如日本早期推出的高μQ材料优铁氧体2001F，其h10为15；超优铁氧
体1000SF的h10为4(h10=5.03×107ηB，单位为mT-1)；德国EPCOS公司N48材料ηB 为0.4×10-6/mT；N45材料ηB为0.3×10-6/mT；而荷兰Philips公司等同于N45的3B46材料其ηB为0.12×10-6/mT。

h10与ηB之间的换算可参阅文献[10]。

值得注意的是，同一材料不同频率和磁通密度下测得的Pcv-T曲线其形貌走势并不完全相同，特别是谷点不能完全重合而有所偏移，这是因为三种损耗随频率和温度的变化趋势各不相同，则三者间的比例和组成的总损耗值都不会同步变化。

最近在网上看到某种功率材料25kHz至500kHz的四组Pcv-T曲线几乎平行，低温功耗值与高温功耗值完全相同，钦佩之余，甚感迷惘，假如该公司公布的资料没有出错，则再把Bs值提高一个档次，应当属顶级的宽温功率材料。

高μ材料方面，在提高磁导率降低损耗的同时，也重点降低了比磁滞损耗ηB 值，以适应高速发展的网络通信磁心的低失真要求。

如日本TDK公司DN40材料ηB 为0.8×10-6/mT，推出DN70时ηB已降为0.2×10-6/mT，NICERA公司10TB材料则降为0.12×10-6/mT，EPCOS公司去年公布的μi13000的T66材料则把比损耗系数tgδ/μi降到1×10-6(10kHz)以下，而ηB保持在0.5×10-6/mT水平。

总之，降低损耗，降低谐波失真已成为Mn-Zn铁氧体性能改进的一大亮点。

三、宽温、宽频特性
宽温软磁材料适用于航天、舰艇等国防武器装备系统和民用家电仪器仪表等关乎国计民生的众多部门，特别是现代通信设备的户外设施，如中继器、增音机、微波接力站、海底光缆系统的水下设备等等。

如东磁公司去年开发并迅速投产供应外商的几种宽温高直流叠加特性的网络通信用小磁环，最终要求在-40℃~+85℃宽温范围、100kHz及100~200mV交变场下，叠加8mA直流，电感量满足相应要求。

有些用户要求温度上限直达航天标准125℃，这种材料去年六月TDK公司推出时型号为DN45，专用于高速局域网(HLAN)脉冲变压器，直流叠加特性要求的温度范围是0℃~70℃，到九月又改进推出DNW45，把温度范围扩展至-40℃~+85℃，与此同时美国STEWARD公司[11]也推出了-40℃~+85℃相同性能的46#材料，宽温高直流叠加特性材料的市场竞争情况由此可见一斑。

高μ材料的宽温指标也一再刷新，如日本NICERA公司[12]WT-10和TDK公司H5C4材料均要求-23℃(-20℃)初始磁导率大于9000，而前文所述EPCOS公司的T66材料在-40℃~+80℃间μ-T曲线特别平坦，见图1。

与此同时，各公司推出的宽温材料基本上都具有宽频特性，上述高μ材料
在100kHz 时初始磁导率均不下降。

东磁公司综合最新材料特性，由博士后科研工作站领衔主攻宽频宽温低损耗高稳定R15KTF 材料，其性能指标优于目前为止性能最全面的T66(μi 13000)材料，同时又综合了日立公司MP15T(μi 15000)材料<13>宽频低磁损特性，制定了性能独特的攻关目标，其主要指标为：μi =15000；tgδ/μi <1×10-6(10kHz)；ηB <0.3×10-6/mT ；αμ ±1×10-6(-40℃~+80℃)；μ~f 特性：100kHz 以内μi >15000。

图2~4是几种高μ材料的μ-T 曲线，其中STEWARD 公司40#材料直到300kHz μi 还没有下降，这是当前最好的宽频10K 材料。

在此基础上改进配方的高μ材料还大大提高了宽频阻抗特性。

图1 EPCOS 公司T66材料温度曲线
图2 STEWARD 公司40材料磁谱曲线
图3 日立公司MP15T 材料μ-f 特性
图4 EPCOS 公司T66材料磁谱曲线
f/MHz
B=0.25mT,T=25℃
B=0.25mT,T=25℃
B=0.25mT,T=25℃
B=0.25mT,T=25℃
高Bs低功耗材料向宽温宽频特性方面拓展的工作更是有声有色，日本TDK公司去年推出PC95材料，基本上把PC44、PC45、PC46、PC47材料Pcv~T曲线的谷点连接起来，实现了平缓Pcv~T曲线的宽温低功耗特性，今年十月，又在PC33和PC44材料的基础上，推出了宽温高Bs PC90材料，刷新了TDK公司所有功率材料的高温直流叠加特性记录。

事实上，荷兰Philips公司和日本FDK公司在宽温宽频两方面的工作更为出色。

如Philips公司的3C92材料，100℃Bs值为460mT，140℃还有400mT，100kHz、200mT、100℃条件下Pcv<350mW/cm3；而3C93材料500kHz、50mT、140℃条件下Pcv<300mW/cm3；FDK公司4H45、4H47直到将要公布的4H50，均把高温Bs推向了新的水平，且由于μi的降低，功率材料的应用领域则推向了更高频率。

综合PC50及3F4高频功率材料的特点，2002年东磁公司即推出了广谱宽频DMR1.2K系列材料[14,15]，其应用频率已拓展到5.64MHz，磁心器件高频性能得到了美国Pulse公司的好评，在Mn-Zn功率材料高频应用方面已领先国内外同行。

此后又提高Bs值，开发了DMR1.2KB材料，100℃Bs已达到450mT，以此为基础，在市场的推动下，我们按高Fe2O3低ZnO配方优选有效掺杂的思路，又开发了DMR2KP和DMR1.2KH及DMR33材料。

此外，与TDK公司PC45-PC47及PC95、PC90材料性能相同的东磁功率铁氧体系列新材料都已由国内外专家和博士后人员协作开发成功，正加速向产业化过渡。

这些骄人的先导型成果显示了我公司创新群体高瞻远瞩、勇攀高峰的宏伟气魄和卓越技能。

在今年8月美国旧金山召开的第九届国际铁氧体会议(ICE-9)上，东磁公司有七篇成果论文被选中发表，我们的工作得到了国际同行的肯定。

在本文结束之际，特将东磁公司Mn-Zn铁氧体材料体系的开发思路附上，供广大用户和同行参阅，恳请提出宝贵意见。

参考文献
[1]何时金，等，宽温软磁材料的现状与开发[J]，国际电子变压器，2004，(8)：192~198；
[2]EPCOS网上产品目录，，2004；
[3]PHILIPS网上产品目录，，2004；
[4]FDK网上产品目录，http://www.fdk.co.jp，2004；
[5]TDK网上产品目录，http://www.tdk.co.jp，2004；
[6]阳开新，磁心在直流预磁化状态下的特性[J]，国际电子变压器，2004，(6)：175~181；
[7]明石雅夫，高性能锰锌铁氧体“超优铁氧体”，电子材料(日)，1970，9(11)：21~27；
[8]金鑫，双重特性Mn-Zn铁氧体高Q高Bs材料[A]，第三届永磁及软磁铁氧体技术交流会论文集[C]，2004；
[9]颜冲，用于XDSL变压器的铁氧体磁心[R]，东磁科技论文集，第二卷，2004：20~23；
[10]刘九皋，宽频高μ软磁铁氧体材料的设计参考[J]，国际电子变压器，2002，(10)：200~208；
[11]STEWARD公司网上产品目录，，2004；
[12]NICERA公司网上产品目录，http://www.nicera.co.jp，2004；
[13]HITACHI公司网上产品目录，http://www.hitachi-metals.co.jp，2004；
[14]邵顺中，广谱宽频低功耗DM1.2K材料[J]，磁性材料及器件，2002，33(4)：21~23；
[15]横店集团东磁股份有限公司(DMEGC)软磁材料产品目录，2004。

东磁公司高磁导率软磁铁氧体材料开发思路
注：Pcv单位kW/m3；ηB、h10单位mT-1；Bs单位mT；材料名称后缀字母“B”为高Bs材料；“Z”为高阻抗材料；“D”为低损耗或低谐波失真材料；“DC”为高直流叠加特性材料；“F”为宽频材料；“T”宽温材料；“TF”为宽温宽频材料；“Q”为高Q材料。

东磁公司功率铁氧体开发思路
注：Pcv单位kW/m3；ηB、h10单位mT-1；Bs单位mT；材料名称后缀字母“B”为高Bs材料；“Z”为高阻抗材料；“D”为低损耗或低谐波失真材料；“DC”为高直流叠加特性材料；“F”为宽频材料；“T”宽温材料；“TF”为宽温宽频材料；“Q”为高Q材料。