MnZn功率铁氧体发展趋势探讨(201107)

更新时间:2023-07-18 11:25:27 阅读：评论：0

MnZn功率铁氧体发展趋势探讨

海宁市联丰磁业有限公司严剑峰李永劬郭凤鸣

摘要介绍了MnZn功率铁氧体材料及其制备工艺的近况和发展趋势。

1 前言

软磁铁氧体材料的发明与实用化，至今已有70多年。由于它具有高磁导率、高电阻率、低损耗、易于加工成各种形状以及主要原材料成本相对价格较低等优点，因而可以用它制作成各种电子变压器、开关电源、逆变器、滤波器、扼流圈、电感器、电子镇流器等，广泛应用于家用电器、计算机、手机、通信、办公自动化、显示器、远程监控、电磁兼容、绿色照明、环保节能等领域。软磁铁氧体的应用领域还在不断扩展，目前在汽车电子、新能源领域又获得了大量应用。软磁铁氧体是现代信息产业中最重要的基础功能材料之一，与国家经济和人民的日常生活息息相关。

最近几十年来软磁铁氧体始终保持着快速发展的势头，其中MnZn铁氧体约占软磁铁氧体总产量的70%左右, 而MnZn功率铁氧体占MnZn铁氧体总产量的70%左右, 所以国内外各个铁氧

体公司非常重视对MnZn功率铁氧体材料的研究，投入了大量人力、物力、财力在这个领域中。

目前国内MnZn功率铁氧体的发展已从热衷于新材料开发延伸到重视生产工艺研究和生产设备开发。

2 MnZn功率铁氧体材料发展趋势探讨

韵头2.1 低损耗材料的发展趋势

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降低损耗，这一技术趋势一直是功率铁氧体材料几十年来的主要发展特征。综合半导体和电子线路技术的发展状态，几十年来开关电源的工作频率普遍在20～300kHz左右。针对这一需求，日本TDK公司陆续推出了具有代表性的PC30、PC40、PC44、PC47等低损耗材料，这些材料的典型特征是不断降低功率损耗（f=100kHz,B=200mT）。我司也相继推出了NH2A、NH2B、NH2C低损耗材料，更低损耗的NH2G材料（相当于TDK的PC47）在试验室中已开发成功，目前正在生产中试。

表1为国际先进铁氧体公司低损耗材料牌号与我司的对照。海宁市联丰磁业有限公司（简称

“联丰磁业”）低损耗材料NH2C、NH2G的主要技术性能见表2

表1 低损耗铁氧体材料牌号对照

公司名称	TDK	FDK	FERROXCUBE	EPCOS	联丰磁业
低损耗MnZn 铁氧体材料	PC30	H49N	3C85	N72	NH2A
	PC40	6H20	3C90	N87	NH2B
	PC44	6H40	3C96	N97	NH2C
	PC47	6H45			NH2G

表2 NH2C、NH2G材料主要技术性能

特性 Characteristics		符号 Symbol	单位 Unit		NH2C	NH2G
起始磁导率 Initial permeabilityyesxxx		μi			2400±25%	2500±25%
饱和磁通密度 Saturation flux density H=1194A/m		Bs	mT	25℃	510	530
饱和磁通密度 Saturation flux density H=1194A/m		Bs	mT	100℃	390	420
功率损耗 Power loss	f=100kHz, B=200mT	Pcv	kW/m3	25℃	600	600
				100℃	300	250
				120℃	380	360
居里温度 Curie temperature		Tc	℃		≥215	≥230

2.2 宽温低损耗材料的发展趋势

自从TDK在2003年率先推出了宽温低损耗材料—PC95，揭开了宽温应用领域节能时代的序幕，国内外都掀起了研究宽温低损耗材料的热潮。

我司在2009年研制了NH9（相当于PC95）宽温低损耗材料，并于2010年通过浙江省省级新产品的鉴定。表3为国际先进铁氧体公司宽温低损耗材料牌号与我司的对照。表4为我司NH9材料的主要技术性能与TDK公司PC95材料对照。

表3 宽温低损耗铁氧体材料牌号对照

公司名称	TDK	FDK	FERROXCUBE	联丰磁业
宽温低损耗MnZn铁氧体材料	PC95	6H60	3C95	NH9

表4 NH9材料与PC95材料主要技术性能对照

特性 Characteristics		符号 Symbol	单位 Unit		NH9	PC95
起始磁导率 Initial permeability		μi			3300±25%	3300±25%
饱和磁通密度（H=1194A/m ）Saturation flux density		Bs	mT猫多少钱	25℃	530	530
饱和磁通密度（H=1194A/m ）Saturation flux density		Bs	mT猫多少钱	100℃	410	410
功率损耗Power loss	f=100kHz, B=200mT	Pcv	kW/m3	25℃	350	350
				100℃	290	290
				120℃	350	350
居里温度		Tc	℃		＞220	＞215

2.3 高饱和磁通密度材料的发展趋势

TDK公司相继推出了PC33、PC90高饱和磁通密度材料，FDK公司相继推出了4H45、4H47高饱和磁通密度材料；PC90材料不仅在高温100℃时饱和磁通密度高达450mT,而且功率损耗很低，只比PC44材料略高一点；4H47材料在高温100℃时饱和磁通密度高达470mT。

我司于最近两年相继开发了NH45、NH90高饱和磁通密度材料，它们的主要性能见表5

表5 NH45、NH90材料主要技术性能

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特性 Characteristics		符号 Symbol	单位 Unit		NH45	NH90
起始磁导率 Initial permeability		μi			1800±25%	2200±25%
饱和磁通密度（H=1194A/m ）Saturation flux density		Bs	mT	25℃	530	540
饱和磁通密度（H=1194A/m ）Saturation flux density		Bs	mT	100℃	450	450
功率损耗Power loss	f=100kHz, B=200mT	Pcv	kW/m3	25℃	-	680
				100℃	450	320
				120℃	550	460
居里温度 Curie temperature		Tc	℃		≥240	≥250

目前高温（100℃）饱和磁通密度为470mT甚至500mT以上的铁氧体材料都有报道，但是损耗太高，预计这类材料今后开发的热点是在保证高温（100℃）饱和磁通密度为470mT甚至500mT的情况下进一步降低损耗。

2.4 向宽温低损耗并兼顾高饱和磁通密度发展的趋势

随着电子变压器小型化的发展，整机及变压器设计者不断对磁性材料提出更高的要求，MnZn功率铁氧体材料一种新的发展需求是宽温低损耗并具有高饱和磁通密度，我司计划开发这类铁氧体材料（牌号为NH9A），该材料计划开发的主要技术性能见表6。

表6 NH9A材料主要技术性能

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特性 Characteristics		符号 Symbol	单位 Unit		NH9A
起始磁导率 Initial permeability		μi			3000±25%
饱和磁通密度（H=1194A/m ）Saturation flux density		Bs	mT	25℃	540
				100℃	430
功率损耗Power loss	f=100kHz, B=200mT	Pcv	kW/m3	25℃	350
				100℃	280
				120℃	350
居里温度 Curie temperature		Tc	℃		≥220

2.5高频低损耗材料的发展趋势

前面讨论的低损耗功率铁氧体材料，主要适用于300kHz以下的开关功率设备中，基本满足了目前市场上的大部分电子产品的需求。但随着半导体器件的发展，适用于500kHz，甚至高达3MHz频率的器件也有所供应，并且其市场需求呈现快速增长的趋势，所以相应的就需求适用于更高频率的功率铁氧体材料。

为了满足这种需求，TDK公司开发了PC50材料，FDK公司开发了7H10、7H20材料，FERROXCUBE开发了3F35、3F4材料，这些材料的牌号对照参见表7。

笔者对高频低损耗材料的发展趋势探讨：开发高频（500kHz~1MHz）损耗更低的材料是发展趋势之一,例如FDK公司的7H20比7H10材料的损耗更低; 开发更高频率应用的材料也是发展趋势之一，例如FERROXCUBE公司开发了可应用于3MHz的3F4材料;宽温节能在高频（500kHz～1MHz）情况下也同样有需要，因此开发宽温高频低损耗材料也将是发展趋势之一。我司计划开发宽温高频低损耗材料，材料牌号为LW5。我司高频低损耗材料主要技术性能见表8.

表7 高频低损耗铁氧体材料牌号对照

公司名称	TDK	FDK	FERROXCUBE	联丰磁业
高频低损耗MnZn铁氧体材料	PC50	7H10	3F35	NH2D
高频低损耗MnZn铁氧体材料		7H20	3F4

表8 NH2D、LW5材料主要技术性能

非诺贝特片

特性 Characteristics		符号 Symbol	单位 Unit		NH2D	LW5
起始磁导率 Initial permeability		μi			1400±25%	1900±25%
饱和磁通密度（H=1194A/m ）Saturation flux density		Bs	mT	25℃	470	470
饱和磁通密度（H=1194A/m ）Saturation flux density		Bs	mT	100℃	380	380
功率损耗Power loss	f=500kHz, B=50mT	Pcv	kW/m3	25℃	130	95
				100℃	80	70
				120℃	110	95
居里温度		Tc	℃		≥240	≥240

3 MnZn功率铁氧体制备工艺的近况和发展趋势

国内对软磁铁氧体的工艺研究越来越重视，研究的重点有以下几个方面。

3.1粉料制备技术

3.1.1粉料自动化制备技术发展迅速

3.1.2干法、湿法工艺的对比研究

这里的干法、湿法都是氧化物法，区别在于原料混和时是采用干法混和还是湿法混和，是业内的一个通俗叫法。干法、湿法二者相比各有特色，哪种方法绝对占优势在业内尚未达成共识，一般认为湿法的均匀性较好，干法较省能，出料率较高，成本较低。最近我们对两种工艺的成份均匀性进行了研究。采用日本理学公司的X射线荧光分析仪分析粉料的主成份。

3.1.2.1干法工艺中成份均匀性研究

对同一批次用振动磨机干法混合的“红振料”进行抽样分析主成份，分析结果见表9。从表9

可见同一批次红振料之间成份波动较大，均匀性较差。

表9 同一批次红振料主成份抽样分析结果

批号	重量百分比（wt%）			摩尔百分比（mol%）
批号	Fe2O3	MnO	ZnO	Fe2O3	MnO	ZnO
NO-1	70.757	22.638	6.894	52.314	37.684	10.002
NO-2	70.904	22.556	6.927	52.412	37.540	10.048
NO-3	71.046	22.378	6.863	52.666	37.350	9.984

3.1.2.2湿法工艺中成份均匀性研究

经湿法混合并用喷雾干燥法脱水获得“红喷料”，其同一批次抽样分析主成份的均匀性情况见表10，对不同批次红喷料的主成份抽样分析情况见表11。

从表10可见湿法工艺中相同批次之间成份均匀性很好; 从表11可见不同批次之间成份出现较大波动，可能与称量误差、原料化浆时的沾壁和原料含水量不一致有关。

表10 同一批次红喷料主成份抽样分析结果

批号	重量百分比（wt%）			摩尔百分比（mol%）
批号	Fe2O3	MnO	ZnO	Fe2O3	MnO	ZnO
NO-1	70.718	21.924	7.358	52.571	春朗诵36.695	10.734
NO-2	70.725	21.925	7.341	52.585	36.703	10.711
NO-3	70.722	21.909	7.369	52.577	36.672	10.751

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