軟磁鐵氧體材料與電子變壓器

軟磁鐵氧體材料與電子變壓器

摘要:本文就軟磁鐵氧體材料的種類及性能和在電子變壓器中的應用作了介紹，對其發(fā)展方向也進行了簡要描述。關鍵詞：軟磁鐵氧體

電子變壓器

發(fā)展方向

1、

前言

軟磁鐵氧體材料作為一種功能材料已在國民經(jīng)濟的各個領域得到廣泛應用。隨著信息產(chǎn)業(yè)、數(shù)字技術及光纖通信技術等的發(fā)展，軟磁鐵氧體的應用領域還在不斷擴展。幾乎覆蓋了已有的各種頻段的整機、設備分機或元器件，與人們?nèi)粘Ｉ钕⑾⑾嚓P。

軟磁鐵氧體材料的發(fā)明與實用化，至今已半個世紀。由于它具有的高磁導率、高電阻率、低損耗及陶瓷的耐磨性，因而用軟磁鐵氧體材料制作的偏轉(zhuǎn)線圈、回掃變壓器、旋轉(zhuǎn)變壓器、中周變壓器、脈沖變壓器、開關電源、濾波器、扼流圈、電感器、抗電磁干擾變壓器、電子鎮(zhèn)流器等（廣義稱電子變壓器）在計算機、微機手機、通信、辦公自動化、顯示器、遠程監(jiān)控、彩色電視接收機、視聽裝置、家用電器、電磁兼容、綠色照明、環(huán)保節(jié)能及電子信息中起著濾波、阻抗變換、能量儲存及能量轉(zhuǎn)換等作用而得到廣泛應用。

電子變壓器是軟磁鐵氧體材料應用的一個主要電子元器件。由于電子變壓器在上述儀器、設備中所起的作用不同，故所選用電子電路不同而對磁性材料參數(shù)及磁芯形狀尺寸也有不同要求，從而促進軟磁材料生產(chǎn)廠家開發(fā)生產(chǎn)能滿足不同變壓器所需磁性參數(shù)的軟磁材料及不同形狀尺寸的軟磁磁芯。

2

軟磁鐵氧體材料

軟磁鐵氧體材料按成份可分為MnZn、NiZn、MnMgZn系等尖晶石型和平面型六角晶系兩類。從應用角度，又可分為高磁導率（高）、高飽和磁通密度（Bs）以及高頻大功率（功率鐵氧體）等幾大類。

2.1

MnZn鐵氧體材料

2.1.1

功率鐵氧體材料

功率鐵氧體材料主要應用于開關電源的主變壓器。它要求軟磁鐵氧體材料具有高飽和磁通密度（Bs）和高振幅磁導率（μa）以提高功率轉(zhuǎn)換效率并避免飽和；要求材料的功率損耗（Po）應盡量小，希望呈負溫度系數(shù)，以避免變壓器在高頻下發(fā)熱；為了在高溫下保持的Bs值、材料的居里溫度（θt）應當較高。要求在高磁通密度下（B=200mT），高溫下（80～100℃）和高頻下（20～50kHz）有低的功率損耗。功率損耗從理論上分為磁滯損耗、渦流損耗和剩余損耗，根據(jù)其對頻率的依賴性不同來區(qū)分、渦流損耗的大小與電阻率的倒數(shù)成正比。高電阻率是功率鐵氧體的最重要的性能，它是通過加入適量的添加劑來獲得的。隨著高頻開關電源的工作頻率發(fā)展到0.5～1MHz，相應功率鐵氧體材料也商品化，在80～100℃、500kHz、50mTF，磁芯損耗為80～100kW/。專家們預測，未來開關電源頻率將是1MHz或更高頻率，那么，功率鐵氧體將開發(fā)工作頻率為100～300kHz，在100kHz、200mT、100℃時，磁芯損耗為150kW/左右的材料。據(jù)資料報道，日本已開發(fā)出Pcv=199kW/(100kH、200mT、80℃下)的低功耗材料。目前，世界上具有代表性的產(chǎn)品是日本TDK公司的PC30、PC40、PC44、PC50材料。

2.1.2

高磁導率MnZn鐵氧體

低頻寬帶變壓器、小型脈沖變壓器、電源濾波器等使用頻率為數(shù)十赫至0.5兆赫的遠和通訊儀器及電磁兼容需要高磁導率MnZn鐵氧體材料。一般要求=5000～12000，居里溫度Tc高≥120℃，比損耗系數(shù)tgδ/=7～15×(f=100kHz)，溫度系數(shù)小αμ=0.5～1.5×/℃，并要求隨使用頻率增加磁導率衰減減慢，使～f曲線在較寬頻帶內(nèi)保持平直，具有高的截止頻率。目前世界上具有代表性的高產(chǎn)品是日本TDK公司的H5C2、H5D、H5E、飛利浦的3E5、西門子的T38、天通公司的TL13等。日本TDK公司的H5E的已達到18000，預計到2002年將提高到25000左右。

2.2

NiZn

系鐵氧體

NiZn系鐵氧體因具有高頻特性好（高ρ、低損耗角正切tgδ、低磁導率的溫度系數(shù)αμ）而制成各種電感器、中周變壓器、濾波線圈、扼流圈等在廣播電視、傳呼機、射頻通訊、抗電磁干擾等領域得到廣泛應用，其磁導率在1500以下變化，使用頻率范圍在1MHz～100MHz之間。由于NiZn鐵氧體具有較寬的頻率帶寬和較低的傳輸損耗，用它制成的器件、可完成阻抗變換和能量傳輸功能。低燒結(jié)溫度NiCuZn鐵氧體，具有高的電阻率，在高頻下具有良好磁特性，可用于片式電感器中。

2.3

MgZn、MgMnZn系鐵氧體

MgZn、MgMnZn系鐵氧體材料有良好的高頻特性，不需戰(zhàn)略物質(zhì)鎳，成本低、在民用產(chǎn)品方面又部分替代NiZn系材料。高電阻率（ρ=～Ωcm）的MgZn、MgMnZn系鐵氧體材料用作電視機顯像管偏轉(zhuǎn)磁芯，能提高電視機、顯示器的電氣絕緣特性及能使彩色顯示器避免高壓擊穿，提高其行掃描頻率。

3

軟磁鐵氧體在電子變壓器中的應用

電子變壓器是指用于電子線路和控制電路中起著電磁能量轉(zhuǎn)換、隔離和阻抗匹配的一種變壓器。軟磁鐵氧體材料是電子變壓器中的一種核心材料。電子變壓器對軟磁材料的要求是①工作可靠，可以適應環(huán)境條件的變化，磁性能要穩(wěn)定，不能隨時間的增長而變化；②磁性能要滿足工作要求；③成本低，性價比要高；④可批量穩(wěn)定生產(chǎn)。

在電子變壓器設計中，應正確地選用軟磁材料和合理利用軟磁材料的磁性參數(shù)來滿足不同類型、不同尺寸、不同工藝要求的電子變壓器的要求，以利充分發(fā)揮磁性材料作用，設計制造出性價比優(yōu)越的電子變壓器來。

3.1

開關電源變壓器

開關電源變壓器是開關形式穩(wěn)壓電源中使用的一種電子變壓器，由于它工作在高功率、高磁通密度條件下，所以通常選用磁導率為1500～2500的錳鋅鐵氧體材料，在選用磁性參數(shù)時主要應該考慮飽和磁感應強度Bs、高磁通密度下的功率損耗、高頻工作狀態(tài)下的功率損耗及高溫下的功率損耗等。通常要求飽和磁感應強度≥510mT。由于開關電源變壓器的工作頻率一般在20～500kHz下且在矩形波狀態(tài)下的頻率，通常要求功率損耗是3～5倍的開關頻率下的功率損耗，在100kHz條件下功率損耗≤700kW/，在80

時為最小值。隨著開關電源小型化和工作頻率的提高，由于渦流損耗∝（頻率），因而降低渦流損耗對高頻電源變壓器尤為重要，當工作頻率達到200～500kHz時，渦流損耗常常已占支配地位，從而要求鐵氧體材料的電阻率要高。據(jù)最近報道，采用細晶粒鐵氧體材料可成功地減小渦流損耗。開關電源變壓器常采用EC形磁芯，由于EC形磁芯中心柱為圓形截面，它與中心柱為方形截面的EE形磁芯相比，相同的繞線截面積下，其繞線長度最小，故銅損小，因此制成的電子變壓器漏感也低，采用EC形磁芯制作開關電源變壓器時繞制線圈簡單、抗電強度高。

近年來，對開關電源變壓器高頻工作時的鐵損、銅損、溫升及電感進行分析后研

制出了PQ型磁芯，現(xiàn)已進入實用階段。小型化、超薄形、貼片式的開關電源變壓器采用EPC型磁芯，這種開關電源變壓器主要用在移動通訊手機充電器和筆記本電腦等小型電子設備上。

3.2

回掃變壓器

彩色電視機和監(jiān)視器用的回掃變壓器正向大屏幕和高清晰度及高分辯率方向發(fā)展，其產(chǎn)品具有較好的波束直線性，能在高壓、高功率條件下工作?；貟咦儔浩髦饕霉β疏F氧體材料，一般要求材料寬頻低功耗，飽和磁通密度高及直流迭加特性優(yōu)良，工作在16～100kHz頻率范圍。回掃變壓器目前采用U型磁芯，它可充分利用其形狀來達到散熱效果，同時保證其在高電壓狀態(tài)的安全性。由于輕、薄、節(jié)能又無輻射的液晶顯示器和等離子體顯示器近來發(fā)展迅速，有可能在將來，將會逐漸取代CRT，這意味著回變壓器用U型磁芯可能逐漸被淘汰。

3.3

脈沖變壓器

脈沖變壓器主要用在低功耗、小信號的電路中，對其要求轉(zhuǎn)換效率高、失真度低、體積小。為了達到這些要求，脈沖變壓器常采用高磁導率錳鋅鐵氧體材料，要求材料磁導率高（7000～15000）并要求有較高的Q值。脈沖變壓器通常采用EP形磁芯，這類磁芯引線非常方便，且具有屏蔽效果，能滿足脈沖變壓器小型化。為適應電信設備小型化的需要，日本、中國、臺灣和香港等眾多廠商正積極開發(fā)和生產(chǎn)小尺寸和表面安裝的脈沖變壓器，使其體積較原有脈沖變壓器縮小1/3、生產(chǎn)率提高15～40%；在表面安裝化的同時，脈沖變壓器也在向高能化方向發(fā)展，用于不對稱數(shù)字用戶線（ADSL）和高比特數(shù)字用戶線（HDS2）的脈沖變壓器已成上升趨勢。

3.4

音頻變壓器

音頻變壓器是一項技術成熟產(chǎn)品，由于鐵氧體磁芯具有低成本、小尺寸等優(yōu)點，所以在音頻變壓器中常采用EI形和環(huán)形磁芯，而環(huán)形磁芯制作的變壓器較EI形磁芯制作的變壓器性能好，盡管環(huán)形磁芯變壓器較EI型磁芯變壓器價格要高，但音頻設備制造商能承受這價格，故環(huán)形磁芯變壓器需求增長較快。

3.5

振蕩變壓器

振蕩變壓器在電路中要求傳輸效率高，有一定傳輸功率、體積小。它要求磁性材料磁導率和飽和磁通密度要高，通常選用磁導率為：4000～5000，而飽和磁感應強度為400mT(800A/m)。

3.6

電源濾波電感器

電源濾波電感器在電路中與電容組成一個低通濾波器。為了使其達到較低的截止頻率，則需要電源濾波電感器有較大的電感量。因為電感量正比于磁導率，故電源濾波器通常要求軟磁鐵氧體的磁導率達到5000～10000，同時要求磁導率與溫度的關系為正溫度系數(shù)，才能保證高電感量、低電流電阻。電源濾波器常采用UF型磁芯和ET型磁芯。UF形磁芯單邊繞制線圈，制作工藝簡單，成本低，但其輻射干擾大，且電感量不易做高。ET形磁芯克服了UF形磁芯干擾大、電感量低的缺點，但制作工藝難、成本高。

3.7

電源變壓器

電源變壓器大量用在音/視頻產(chǎn)品中。90年代以來，計算機及外設和通信工業(yè)的迅速發(fā)展為電源變壓器開創(chuàng)了一個新的大市場。近年來電源變壓器在小型化、表面安裝、降低功耗、提高工作頻率和工作溫度等方面取得了許多進展。電源變壓器通常采用低損耗的錳鋅鐵氧體材料制成的EI形磁芯，這種磁芯是用一個E形磁芯和一個條形磁芯配對使用，其特點是制作工藝簡單，售價便宜，散熱條件好，它既可以在中心柱上開氣隙，又可在E形磁芯和條形磁接觸面插入一定厚度的絕緣片來代替氣隙。由于R形磁芯漏磁僅為EI型的1/10，產(chǎn)生的熱量僅為EI形的一半，因此近年來R型磁芯電源變壓器現(xiàn)已開始進入市場，但因其價格相對較高，所以目前尚未在低檔產(chǎn)品中應用。而近年發(fā)展很快的表面安裝電源變壓器終將成通信領域中電源變壓器的主流產(chǎn)品。

3.8

平面變壓器

平面變壓器是一種新開發(fā)的高技術鐵氧體電感元件，1994年首先在通信方面得到應用，目前已擴大到筆記本計算機、汽車電子、數(shù)碼相機、數(shù)字化電視等方面。平面變壓器有：寬帶變壓器、功率變壓器和阻抗匹配變換器等種類，特別適合表面貼裝，對電子產(chǎn)品實現(xiàn)輕、薄小型化將起關鍵作用。平面變壓器通常采用高頻功率鐵氧材料制成的RM形磁芯和E形磁芯。RM形磁芯最大優(yōu)點是它們的形狀特別適合于高密度的安裝，而且在高密度安裝中引線槽不在一起，屏蔽效果好，散熱窗口比罐形大，在500～700kHz高頻下有低的損耗；E形磁芯制造工藝簡單，售價較便宜，有大的繞組空間，可允許大電流通過，但磁芯正柱的方形給繞制變壓器帶來一定困難，增加了變壓器的漏感，降低了變壓器抗壓強度。采用鐵氧體雙孔磁芯制成的平面變壓器，也可以制成寬帶電感元件，可實現(xiàn)新一代家電的數(shù)字化、網(wǎng)絡化功能，頻率覆蓋范圍在4～2400MHz的寬頻帶內(nèi)。使用低高度鐵氧體磁芯制作的平面變壓器可用在高頻電信系統(tǒng)，顯著提高功率密度和重復性。

3.9

片式電感器

為適應整機小型化、輕量化的要求，必須要有小型化的電感器件來滿足電子元件表面高密度裝配的需要，為此片式電感件應運而生。

從制造工藝來分，片式電感器主要有四種形式，即繞線型、疊層型、編織型和薄膜片式電感器。

a.

繞線型片式電感器是在傳統(tǒng)的電感器制造工藝基礎上改進而成。常見的繞線型片式電感器主體結(jié)構(gòu)是軟磁鐵氧工字型磁芯，在磁芯的芯柱上單層或多層繞線，線的端頭通過一定的方式接到電感器的外極上，外電極有的是用金屬片制成，也有的是用貴金屬涂覆后燒結(jié)而成。線圈外面用環(huán)氧樹脂涂覆或模封。為了解決屏蔽問題，可在氧樹脂中加入一定量的鐵氧體粉末。它的特點是：電感量范圍廣（mH～H），電感量精度高，損耗小（即Q大），容許電流大、制作工藝繼承性強、簡單、成本低等，但不足之處是進一步小型化方面受到限制。

b.疊層型片式電感器是采用厚膜電感印刷工藝和鐵氧體制作技術制作的。它是把鐵氧體漿料和導電漿料交替印刷在基片上，然后燒結(jié)、施加外部電極構(gòu)成有閉合磁路的整體。它具有良好的磁屏蔽性、燒結(jié)密度高、機械強度。

4

發(fā)展方向

4.1

軟磁鐵氧體材料發(fā)展方向

軟磁鐵氧體市場將隨著個人計算機的顯示器和家電視機用編轉(zhuǎn)線圈磁芯和開關電源用磁芯增加而穩(wěn)定增長。

（1）為滿足開關電源小型化、輕量化、高性能要求、功率鐵氧體將向高頻化、低功耗方向發(fā)展。

（2）為適應多媒體通信、數(shù)字通信和移動通信及光纖通信小型化和寬頻帶，高磁導率材料將向更高的工作頻率發(fā)展。

（3）為滿足寬屏幕、高清晰度電視及高分辯計算機顯示器的要求，應開發(fā)飽和磁感應強度、低的損耗和嚴格的開關尺寸公差的軟磁鐵氧體磁芯；

（4）為適應高檔小型電感器及減少、抑制、消除電磁污染和干擾的需要，高頻軟磁鐵氧體材料及器件將向高性能、高可靠、片