高频开关电源变压器用功率铁氧体的制备技术

发布时间:2008/5/26 0:00:00 访问次数:526

来源：电源技术应用作者：宜宾金川电子有限责任公司黄刚

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(μi)、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。

o 引言

随着电力电子技术的发展，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，迫切要求实现小型轻量化。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发展起来的。

铁氧体的性能并不是仅仅由其化学成分及晶体结构决定的，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，配方是基础、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，则对铁氧体的性能具有决定意义，影响着固相反应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结构得到更有效的控制，从而确保材料的主要特性参数达到和谐的统一。

1 高性能功率铁氧体的主配方选择

为提高功率转换效率并避免饱和，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(μi)和高振幅磁导率(μa)，同时为了避免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。可以说，衡量功率铁氧体材料优劣的3个重要磁性能参数是μi、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k1～t曲线及铁氧体的微观结构，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的最小值调节到合适的位置，并使其趋向于零。

μi的大小对磁芯具有高电感因数(al)的贡献最为直接，因此，保证铁氧体有较高的μi值是必须的。但另一方面，μi与材料截止频率fr之间相互制约，提高材料的使用频率与提高μi是相互对立的，在实际材料中只能相互兼顾。

就功率铁氧体的bs鼠和居里温度tc来说，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入的系统研究，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公司经过多年研究，进一步在mn—zn铁氧体成分相图中划定了取值区域，其中心位置配方约为：fezo3：mno：zno=53．5：36．5：10(摩尔分数)，这与国内许多企业pc44的主配方fezo3：mno：zno=53．3：36．5：1o．2(摩尔分数)基本一致。就pc44、pc50而言，由于其bs都比较高，必须采用过fe配方，因为fe2o3，含量在(51～55)mo1％范围内，bs随fe2o3含量的增加而增大(反之，zno含量过多则会造成材料高温，或者bs和tc的下降)。最佳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结构，更有助于使材料的主要特性参数达到和谐的统一。根据基础磁学理论，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；

β为阻尼系数。