高频开关电源变压器用功率铁氧体的制备技术.docx

高频开关电源变压器用功率铁氧体的制备技术高频开关电源变压器用功率铁氧体的制备技术ronggang导语：根据高频开关电源变压器用PC44、PC50等功率铁氧体材料的高起始磁导率i、饱和磁通密度Bs、低功率损耗Rc等特性要求摘要：根据高频开关电源变压器用PC44、PC50等功率铁氧体材料的高起始磁导率i、饱和磁通密度Bs、低功率损耗Rc等特性要求，分别讨论了配方、添加物和烧结工艺等关键技术对该类材料制备的影响。随着电力电子技术的开展，进一步增加了对电子设备的多功能化和高密度化的需求，作为电子设备不可缺少的开关电源，迫切要务实现小型轻量化。而为了使开关电源小型化，首先要求开关电源变压器小型化。工作频率更高的PC44及PC50功率铁氧体材料和磁芯就是为适应这种需求而开展起来的。铁氧体的性能并不是仅仅由其化学成分及晶体构造决定的，还需要研究和控制它们的密度、晶粒尺寸、气孔率以及它们在晶粒内部和晶粒之间的分布等。因此，制备高性能功率铁氧体材料，配方是根底、烧结是关键。配方和密度决定着材料的饱和磁通密度Bs功率铁氧体磁芯通常工作于有直流偏置场的状态下，高Bs是为了保证磁芯具有高直流叠加特性的需要和居里温度fc，而掺入有效的添加物并与适当的烧结工艺相匹配，那么对铁氧体的性能具有决定意义，影响着固相反响的程度及最后的相组成、密度和晶粒大小等，使软磁铁氧体的微观构造得到更有效的控制，进而确保材料的主要特性参数到达和谐的统一。1高性能功率铁氧体的主配方选择为进步功率转换效率并防止饱和，要求用在高频开关电源变压器中的功率铁氧体材料具有高Bs、高起始磁导率i和高振幅磁导率a，同时为了防止变压器在高频下发热击穿，材料的功率损耗Rc应尽量小，希望呈负的温度系数。可以讲，衡量功率铁氧体材料优劣的3个重要磁性能参数是i、曰Bs和Rc以及这些参数的频率、温度和时间稳定性，它们之间是一个矛盾的统一体，某些参数甚至严重对立，将它们有机统一的总体思路是控制磁晶各向异性常数K1t曲线及铁氧体的微观构造，在配方、添加物和烧结工艺上使K1有一个好的温度特性，将K1的最小值调节到适宜的位置，并使其趋向于零。i的大小对磁芯具有高电感因数AL的奉献最为直接，因此，保证铁氧体有较高的i值是必须的。但另一方面，i与材料截止频率fr之间互相制约，进步材料的使用频率与进步i是互相对立的，在实际材料中只能互相兼顾。就功率铁氧体的Bs鼠和居里温度tc来讲，是由配方和密度决定的。对于功率铁氧体的主配方，国内外软磁科研工作者已做了较深化的系统研究，并把它制成如图1所示的相图无添加物的形式使之更直观地表现出来。日本TDK公司经太多年研究，进一步在Mnzn铁氧体成分相图中规定了取值区域，其中心位置配方约为：FezO3：MnO：znO=535：365：10摩尔分数，这与国内很多企业PC44的主配方FezO3：MnO：ZnO=533：365：1O2摩尔分数根本一致。就PC44、PC50而言，由于其Bs都比拟高，必须采用过Fe配方，由于Fe2O3，含量在5155mO1范围内，Bs随Fe2O3含量的增加而增大反之，ZnO含量太多那么会造成材料高温，或Bs和tc的下降。最正确的配方组合可通过正交工艺试验，结合加杂和烧结工艺形式优选确定。2高性能功率铁氧体的添加物选择功率铁氧体的化学成分不是决定铁氧体性质的唯一因素，阳离子和晶点缺陷在晶位中的分布起着头等重要的作用。通过掺入添加物和工艺调整来改善铁氧体的微观构造，更有助于使材料的主要特性参数到达和谐的统一。根据根底磁学理论，功率铁氧体材料的截止频率fr与铁氧体的晶粒大小d右式1关系。式中：Ms为材料的饱和磁化强度；为阻尼系数。由式1可知，与d1一1成反比例关系，所以，通过掺入添加物和烧结工艺的调整使晶粒细化，减小晶粒尺寸，可以进步材料的截止频率也就进步了其工作频率。但晶粒尺寸的无限减小，必定增大功率损耗。另一方面，1的上下与烧结温度有较大关系也关系到fr的大小。对通常工作在几百kHz高频下的PC44、PC50材料而言，功率损耗主要由磁滞损耗Rh和涡流损耗Pe两局部组成。由于hocBm3Bm为工作磁通密度，可见为降低Ph,材料的Bs要高，成分的均匀性要好采用高纯原材料，同时必须改善晶粒大小的一致性并进步材料密度，尽量减小内应力。涡流损耗用式2表示。Pe=丌24·r2·lf2·Bm2p2式中：r为平均晶粒尺寸；p为电阻率。可见，在高频下降低材料功率损耗主要有两条途径：进步电阻率；控制铁氧体的晶粒在最正确状态范围内晶粒过小，Pe会变小，但Ph会增大。控制晶粒大小和电阻率的最有效方法是公道地掺人添加物和改善烧结工艺。众所周知，掺入一些有益的添加物如Sn02、TiO2、Co2O3等，可进一步控制材料的K1值，使其在较宽的温度范围内变得很小；复合添加CaO和SiO2，可增大材料的电阻率、降低材料的功率损耗。实际上，对Mnzn铁氧体性能进步有实用价值的添加物较多，它们的主要作用可分为3类：第一类添加物在晶界处偏析，影响晶界电阻率；第二类影响铁氧体烧结时的微观构造变化，通过烧结温度和氧含量的控制可改善微观构造，降低功率损耗、进步材料磁导率的温度和时间稳定性、扩展频率等；第三类那么固溶于尖晶石构造之中，影响材料磁性能。Ca、Si等元素的添加物属第一类和第二类；Bi、Mo、V、P等元素属第二类；_Ti、Cr、C0、Al、Mg、Ni、Cu、Sn等元素的主要作用属第三类。图2所示为MoO，、CuO等6种添加物对Mnzn铁氧体磁导率的影响，其中1和分别表示未掺添加物和掺入了少量添加物的铁氧体的磁导率；图3示出了掺入SiO2对MnZn铁氧体磁导率的影响；图4所示为TiO2添加量对MnZn铁氧体i一t曲线的影响；图5a与图5b分别示出的是复合添加SiO2、CaO一对Mnzn铁氧体在100kHz时的电阻率和比损耗系数tan6i的影响。日本东北金属公司科研人员在开发SBlM相当于PC50材料时，发现通用的复合添加物SiO2CaO有一局部会在晶粒内溶解，进而增大磁滞损耗，在500kHz1MHz条件下，其降低功率损耗的效果并不好为此，他们开展了卓有成效的研究工作，期望找出不使磁滞损耗增大的更有效进步电阻率的添加物。表l列出了他们的研究成果，在这8种添加物中，Al2O3、SnO2、TiO2都溶解于晶粒内，几乎看不到有进步电阻率的效果，其它添加物主要在晶界内游离。这些添加物中，HfO2对进步电阻率最为显著2>，其降低涡流损耗效果最正确。在开发高性能功率铁氧体材料时，要充分利用前人的成果，不要花太多精力浪费在配方和添加物的探索上。总的配方和掺杂原那么是尽可能地使磁晶各向异性常数K1和磁致伸缩常数s趋近于零。选择添加物要留意以下原那么：1掺入添加物总量wt应控制在O2以下；2CaO或者CaCO3和SiO2通常是不可或者缺的添加物；3V2O5、Nb205、_Ti02、Ta2O5、HfO2、CO2O3等高价离子组合添加，组分不宜太多，最好不超过4种，每种添加物的重量一般应控制在1000ppm，以下；4在上述各添加物中，除了Co3+子外，其它离子的K1值都是负值，如飞利浦公司开发的3F3材料介于PC40和PC50之间的一种材料，根本技术要点就是同时添加了Ti4+和C03+以控制材料的温度特性，减少磁滞损耗，如图6所示。3高性能功率铁氧体的烧结工艺烧结是制备高性能功率铁氧体材料的关键工序。在烧结经过中，升降温速度、最高烧结温度和炉内气氛是该工序中必须严格控制的3个关键因素，它们对铁氧体材料的微观构造、化学成分及电磁性能等参数都有很大影响。适宜的烧结工艺应根据原材料配方及添加物情况、预烧温度、窑炉构造及长度、降温方式、功率铁氧体的性能取舍等综合确定，并通过材料的最终性能来进展工艺验证和断定。升温速度对铁氧体产品的密度、晶粒大小及均匀性有直接关系，升温速度过快将使晶粒尺寸不均匀，内部存在较多的气孔；升温速度太慢，那么烧成的铁氧体密度低，气孔明显增大。为了得到晶粒小而均匀PC40材料，晶粒约为1014m，PC50材料，晶粒约为36m、气孔少、密度高、无开裂缺陷的铁氧体，600以下升温不宦过快，600900可快一些，900l100为晶粒初生阶段，宜平稳升温，同时采取致密化措施处理，1100以上可稍快一些，最高烧结温度不大于1350为限制晶粒尺寸，保温时间34h即可，然后在氮气N2保护下选择适宜的氧分压降温。在9001100左右采取致密化措施是特别必要的，其目的是降低铁氧体中的气孔率。日本TDK公司十分在意9001100之间的升温速率和四周气氛的控制，他以为这个阶段是保证铁氧体获得好的微观构造的关键，对PC44、PC50等高性能功率铁氧体的制备，该阶段的控制尤为重要。通常采取的致密化措施是从900平稳升温至l100，再保温1h，同时充入适量的N2以控制氧分压。这可使铁氧体的表观密度迅速到达真实密度的99，而且大多数气孔是停留在晶界上。当然，在1000以下的升温段，保证窑炉内有足够的氧含量及废气排气管道的畅通也是非常重要的。在降温阶段会引起铁氧体的氧化或者复原，通过参加适量的N2保护气氛以控制窑炉内的氧分压，是为了防止铁氧体在冷却经过中Mn、Fe、CoCu等离子变价、产生脱溶物、引起晶格变化等。过度的氧化与复原，就有另相如a-Fez03、Fe0、Fe3O4、Mn203析出，进而导致磁性能的急剧恶化。图7是配方为Fe2O3：MnO：ZnO=519：268：18.3mol的功率铁氧体平衡气氛相图，从图7中可看出气氛对尖晶石相和Fe2O3相界内氧化状态的重要性。要十分留意，先沿等成分线冷却，接着在最低的温度下通过相界迅速冷却，这时生长动力学不敏感，使a-Fe203的脱溶最少，氧化和生成另相的程度最轻。图8列出了功率铁氧体的典型烧结工艺曲线。