磁性材料及器件 JOURNAL OF MAGNETIC MATERIALS AND DEVICES 1999年 第1期 No.1 1999 | ||
| 破窗器原理 | ||
陆明岳 The Research and Manufacture of High Frequency Low Power Loss TP4 MnZn Ferrite Materials and Cores Lu Mingyue Haining Tiantong Electronics Co LTD，Haining 314412 ABSTRACT The development and manufacture of high frequency low power loss TP4 MnZn ferrite material and cores were introduced and the electromagnetic properties and microstructure were investigated in this paper． KEY WORDS TP4 ferrite material and cores，high frequency low power loss，electromagnetic properties，microstructure 1 前言 微型电脑、高频开关电源等高科技产品的飞速发展，对铁氧体磁芯提出了越来越高的要求，整机的体积越来越趋于小型化并且越来越多地采用表面组装技术，迫切需要大量高频低功耗功率铁氧体磁芯。 日本TDK公司最早开发了使用频率可达300kHz（中心频率为100kHz）的高频功率铁氧体PC40材料（当时牌号为H7C4），但由于当时磁芯工作频率普遍低于50kHz，只需采用PC30或相当于PC30材料（TDK当时材料牌号为H7C1）即可。但到了八十年代末和九十年代初，随着整机体积趋于小型化以及表面组装技术的高速发展，要求铁氧体磁芯工作频率越来越高［1］。 到了九十年代初期，各国铁氧体公司纷纷加紧开发并推出自己的PC40或相当于PC40的铁氧体材料。例如，日本TDK公司的PC40、FDK公司的6H20、TOKIN公司的B25、Nicera公司的NC-2H、日本西海工业株式会社的SK-104、日本川崎公司的MB3、德国正弦波发生器Siemens公司的N87、荷兰Philips公司的3C90、法国Thomson公司的F1、韩国Samwha公司的PL-7、韩国Boam公司的J2B以及美国Magnetics公司的R等材料。综观各个公司材料技术指标，其功耗水平在100kHz×200mT，100℃条件下为385～450mW／cm3，此性能要大大优于PC30材料。 世界软磁铁氧体磁芯市场在稳步增长。美国国际磁性材料咨询公司高级顾问Hart以及奥地利专家Ruthner［2］对全球软磁行业的评估认为，世界软磁铁氧体需求量的平均增长速度在今后的几年中将继续保持10％～15％的水平。这样，到2000年，世界软磁铁氧体的总需求量将达到30万吨左右。其中高频低功耗功率铁氧体所占的比例将越来越高。 天通公司自1996年底开始研制PC40材料（牌号为TP4育苗袋），经半年多的努力取得了成功，并于1997年下半年顺利转入工业化大生产。 2 工艺与实验方法 TP4铁氧体材料研制与生产所选择的主要原材料为Fe2O3、Mn3O4及ZnO，主要微量元素为CaCO3或CaCO3与SiO2的组合。采用普通陶瓷铁氧体生产工艺，原材料按配方Mn0．69Zn0．242Fe2．136O4＋δ准确称量后，经混合、预烧、喷雾造粒后，压成EE33，31环及其它形状尺寸的磁芯，在N2气保护推板窑上烧结。产品经磨加工后，与试环一道在美国V-A-W258功耗仪上测量产品功耗～频率，及功耗～温度特性。为保证测试的准确性与可靠性，将日本Saikai公司提供的由PC40制成的31环及日本TDK公司由PC40材料制成的EE33磁芯一同对比测试，材料的磁谱特性由HP4284仪表测量。 3 制造工艺对TP4铁氧体电磁性能的影响 3.1 成分偏移对电磁性能的影响 要生产出性能一致的铁氧体磁芯，保持铁氧体粉料成分（配方）的一致性非常重要。而通常，生产工艺对铁氧体成分有较大的影响。例如，混料设备上的原材料不能清理干净，输送管道沾有不少粉料，往往导致原始配方偏移；此外，球磨或砂磨对成分偏移也有较大的影响，球磨或砂磨过程中，钢球不断掉下的Fe、Cr、Mn、Si等杂质也掺入铁氧体粉料之中，对此作者曾作过详细研究［3］，在此不作介绍。 图1a、b系原始投料配方相同，但采用不同的粉料制备工艺(A工艺，B工艺)而制得的铁氧体粉料的EDAX成分谱线。其中图1a成分为：Mn0．6876Zn0．2374Fe2．15O4＋δ，图1b成分为：Mn0．6886Zn0．2418Fe2．1392O4＋δ。而原始投料成分为：Mn0．69Zn0．242Fe2．136O4＋δ。 |
（a） A工艺 |
（b） B工艺 图1 粉料的EDAX成分谱线 在同样的烧结工艺下，铁氧体磁芯功耗水平对成分具有极大的依赖性。图2是铁氧体磁芯（试环）功耗随Fe2O3含量的变化，其中铁氧体粉料制备工艺完全相同，粉料被压制成31mm×20mm×7mm的圆环，在N2气推板窑中烧结，性能测试条件为：f＝100kHz，Bm＝200mT，t＝100℃。因此保持铁氧体成分的一致性是非常重要的。 |
图2 铁氧体功耗对成分的依赖性 3.2 成型密度对电磁性能的影响 通常对于成型密度对电磁性能的影响研究较少，然而由图3可以明显看出，铁氧体磁芯功耗对毛坯密度亦有较大的依赖性。 图中结果是通过对各个不同的烧结试环（成型时毛坯密度不同）性能测试而获得的，测试条件是：f＝100kHz，Bm＝200mT，t＝玉米芯烘干机100℃。 由图3可以看出，似乎最佳成型密度在2．9～3．0g／cm3，而当成型密度为3．1g／cm3时功耗反而上升，估计成型压力过大内部反而容易出现裂纹或起层等现象。 |
图3 成型密度对铁氧体磁芯功耗的影响 如何在较低的压力下获得较高的成型密度，这就要求铁氧体粉料必须具有较好的压缩特性，有关这方面的研究很多［4～7］。另外喷雾干燥造粒工艺过程的控制也是十分重要的［8］。活肽粉 3.3 平衡烧结氧分压对电磁性能的影响 铁氧体磁芯要获得良好的电磁性能必须在平衡气氛中烧结，早在1961年，Blank就给出了各种铁氧体烧结的通用平衡气氛图［9］。从理论和实验上揭示平衡烧结氧含量与铁氧体配方以及所要求的铁氧体中Fe2＋的含量之间直接的依赖关系。 图4为铁氧体31mm试环在真空炉中以不同的平衡氧分压烧结时磁芯功耗情况，烧结温度为1330℃，测试条件为f＝100kHz、Bm＝200mT，t＝100℃。在各个不同的氧分压烧结条件下，磁芯功耗的离散性略有不同。磁芯最佳平衡烧结氧含量为po2＝8％～16％。 |
图生产企业原材料的订购与运输4 平衡烧结氧分压po2对磁芯功耗的影响 4 TP4材料及磁芯电磁性能与显微结构 众所周知，铁氧体磁芯损耗主要由三部分组成［10］，即 PV＝Ph＋Pe＋Pr＝f.∫H.dB＋cB2f2／ρ＋Pr （1） 式中Ph为磁滞损耗，Pe为涡流损耗，Pr为剩余损耗。当工作频率f＞600kHz时，损耗近似以下式表示［11］： PV＝ChB3f＋CeB2f2D2／ρ＋Pr （2） 式中Ch，Ce分别为磁滞损耗系数与涡流损耗系数。 降低磁芯损耗必须严格控制其显微结构，一个更为有效的途径就是添加适量的杂质，如CaCO3-SiO2，此法于30多年前就被Akashi发现［12］，迄今仍然是世界各铁氧体公司普遍采用的获得低功耗功率铁氧体的主要方法。 图5为TP4铁氧体材料磁谱特性，不难看出TP4铁氧体材料截止频率为fr＝2MHz，图中实线与虚线分别反映的是复数磁导率的实部μ＇与虚部μ＂随频率的变化。铁氧体材料的增量磁导率随外加磁场的变化即磁导率的直流迭加特性如图6所示，当外加直流磁场强度超过30A／m时，磁导率μi将随外加直流磁场的增加而迅速下降。图7为TP4材料（31试环）在100℃时，不同频率下功耗随磁通密度峰值的变化情况。在不同频率与磁通密度峰值条件下功耗随温度的变化情况如图8所示，材料的最低功耗点在95～100℃之间。 |
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