國內(nèi)MHz高頻低損耗鐵氧體軟磁材料研究進(jìn)展
2024-12-31 14:06:49 來源:電子變壓器與電感網(wǎng) 作者:丘水林 點(diǎn)擊:1465
隨著電子產(chǎn)品應(yīng)用頻率不斷提高,電子變壓器、電感的工作頻率已逐漸滯后于半導(dǎo)體器件的發(fā)展,成為阻礙電子產(chǎn)品高頻化的障礙,其中最大的原因就在于軟磁材料的工作頻率始終無法提高。
接下來的兩期市場(chǎng)解讀,我們將通過鐵氧體軟磁材料(占比約67%)和金屬軟磁材料(占比約30%)這兩種主流軟磁材料,介紹目前國內(nèi)高頻低損耗軟磁材料的研究進(jìn)展。
第三代半導(dǎo)體材料將功率電子頻率推高至MHz
近年來,高功率密度車載充電系統(tǒng)和大型數(shù)據(jù)中心的電壓調(diào)節(jié)系統(tǒng)的應(yīng)用,對(duì)功率電子提出了更高的功率密度、更高的頻率、更小的體積和更高的效率等多方面要求。
這些發(fā)展方向?qū)ε涮椎能洿挪牧咸岢隽讼鄳?yīng)的要求:
大功率:軟磁材料需要具有良好的抗飽和能力,以及高的直流偏置性能,以滿足大功率應(yīng)用的需求;
高頻化:為了減少渦流損耗,軟磁材料需要具有高電阻率,以降低渦流的影響;
小型化:為了提高單位體積內(nèi)的原子磁矩,軟磁材料需要有高的飽和磁密,以便在更小的空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)更高的磁場(chǎng)強(qiáng)度;
高效率:低損耗是實(shí)現(xiàn)高效率的關(guān)鍵,因此軟磁材料需要設(shè)計(jì)成能夠最小化能量損失。
尤其是第三代半導(dǎo)體材料碳化硅、氮化鎵的普及應(yīng)用,讓功率電子有望達(dá)到更高的MHz工作頻率。但目前不管是鐵氧體軟磁材料還是金屬軟磁粉芯,其應(yīng)用于開關(guān)電源的工作頻率普遍不超過300kHz,迫切需要磁性元件行業(yè)提供可匹配第三代半導(dǎo)體MHz頻段的高頻軟磁材料。
高損耗是限制錳鋅鐵氧體高頻應(yīng)用的主要障礙
目前錳鋅系鐵氧體軟磁材料是鐵氧體軟磁材料中占比最高的。對(duì)于錳鋅鐵氧體軟磁材料而言,損耗由磁滯損耗、渦流損耗和剩余損耗三部分組成。
在低頻情況下,比如說MHz以下,剩余損耗其實(shí)是可以忽略不計(jì)的,主要是渦流損耗和磁滯損耗;
但是在高頻情況下的話,剩余損耗是急劇增加的,這導(dǎo)致功率器件的過度發(fā)熱和能效的降低,剩余損耗就必須要考慮了,需要同時(shí)降低磁滯損耗、渦流損耗和剩余損耗,高頻下?lián)p耗急劇增加是限制錳鋅鐵氧體軟磁材料高頻應(yīng)用的主要障礙。
加上應(yīng)用場(chǎng)景溫度的多樣性,亟需開發(fā)開發(fā)具有良好寬溫特性的高頻低損耗鐵氧體軟磁材料。
軟磁材料損耗與頻率
開發(fā)高頻低損耗錳鋅鐵氧體軟磁材料的方法
浙江工業(yè)大學(xué)磁電功能材料研究所應(yīng)耀副教授提到,其研究主要從主配方、添加劑和燒結(jié)工藝三個(gè)方面去改善錳鋅鐵氧體軟磁材料的高頻損耗問題。
主配方:Co離子摻雜
一方面,Co離子摻雜形成了兩個(gè)K1=0的溫度點(diǎn),既可降低磁滯損耗,良好的損耗寬溫穩(wěn)定性;
另一方面,Co離子摻雜提高了截止頻率,降低了高頻下的剩余損耗;
通過Co離子的摻雜和優(yōu)化,獲得了高頻寬溫低損耗錳鋅鐵氧體軟磁材料:
最佳樣品在0-140?C溫度范圍, 損耗低于150 kW/m3(1MHz/50mT),50 kW/m3 (3MHz/10mT)。
添加劑:Ta2O5的添加
通過對(duì)損耗的分離會(huì)發(fā)現(xiàn):2MHz以下, 損耗是由磁滯損耗和渦流損耗決定;2MHz以上,剩余損耗快速增加。
鐵氧體軟磁材料在高溫下?lián)p耗的升高來源于渦流損耗的升高,適量添加Ta2O5,提高了晶粒電阻Rg和晶界電阻Rgb,極大地抑制了鐵氧體軟磁材料高溫下的渦流損耗。
實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:
Ta2O5添加可以降低錳鋅鐵氧體軟磁材料MHz高頻下的損耗,特別是高溫下?lián)p耗的降低更加明顯;
添加適量 Ta2O5的鐵氧體軟磁材料在25–140?C溫度范圍內(nèi)保持低損耗。
根據(jù)相關(guān)實(shí)驗(yàn)結(jié)果,應(yīng)教授團(tuán)隊(duì)還對(duì)傳統(tǒng)損耗分離公式進(jìn)行了修正,得到了高頻下的損耗分離公式:
軟磁材料傳統(tǒng)損耗分離公式
修正后的軟磁材料高頻損耗分離公式
修正后發(fā)現(xiàn),高頻下會(huì)產(chǎn)生一個(gè)與交流電導(dǎo)率相關(guān)的額外渦流損耗,傳統(tǒng)的損耗分離公式低估了渦流損耗,高估了剩余損耗的大小。
納米YIG添加劑的選擇
高頻錳鋅鐵氧體的磁導(dǎo)率一般不太高,一般非磁性晶界添加劑將使鐵氧體的起始磁導(dǎo)率進(jìn)一步降低。那磁性的晶界添加劑對(duì)損耗和磁導(dǎo)率又會(huì)有何影響?應(yīng)教授團(tuán)隊(duì)選擇了納米YIG添加劑進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。
實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:
適量添加YIG提高了起始磁導(dǎo)率,起始磁導(dǎo)率分別提高了28.2%和13.9%;
適量添加YIG降低了高頻損耗,在1 MHz和3 MHz的室溫?fù)p耗分別降低了56.4% and 36.6%;
YIG添加對(duì)高溫?fù)p耗的降低更加明顯,添加適量YIG的鐵氧體軟磁材料在25–140?C溫度范圍內(nèi)保持低損耗;
適量添加YIG提高了樣品的飽和磁通密度Bs,磁性YIG添加在晶界,降低了樣品內(nèi)部的退磁場(chǎng),根據(jù)非磁性(磁性)晶界模型,較大的晶界磁導(dǎo)率可以有效提高樣品的磁導(dǎo)率。
對(duì)磁滯損耗和渦流損耗的影響:適量YIG的添加提高了晶界電阻Rgb,極大地降低了材料的渦流損耗,也降低了材料的磁滯損耗;過量添加YIG反而降低了晶界電阻Rgb,使渦流損耗升高。
對(duì)截止頻率的影響:截止頻率隨YIG的添加先下降再上升高,與起始磁導(dǎo)率的趨勢(shì)相反,與斯諾克定律相符。該系列樣品具有高的截止頻率(9MHz以上),有利于材料應(yīng)用于匹配第三代半導(dǎo)體的功率電子器件。
錳鋅鐵氧體中的應(yīng)力效應(yīng)
在實(shí)際應(yīng)用過程中,錳鋅鐵氧體軟磁材料會(huì)經(jīng)歷各種應(yīng)力,如燒結(jié)過程產(chǎn)生的殘余應(yīng)力,繞線、封裝、組裝過程經(jīng)歷的外應(yīng)力,以及封裝材料與磁芯材料膨脹系數(shù)不同而產(chǎn)生的應(yīng)力,這些應(yīng)力通常會(huì)降低鐵氧體軟磁材料的起始磁導(dǎo)率。
這些應(yīng)力還會(huì)使錳鋅鐵氧體軟磁材料的功率損耗有所增加,在低頻下, 應(yīng)力對(duì)損耗的影響不是很大;在高頻下, 應(yīng)力對(duì)損耗的影響更顯著:
低頻下(100 kHz)磁滯損耗占主導(dǎo),高頻下渦流損耗和剩余損耗逐漸起更重要作用;磁滯損耗、渦流損耗、剩余損耗都隨應(yīng)力增強(qiáng)而增加。
磁滯損耗增加的原因:外加應(yīng)力導(dǎo)致內(nèi)部局域各向異性應(yīng)力,使磁疇轉(zhuǎn)動(dòng)和疇壁位移更加困難。
在應(yīng)力的作用下,剩余損耗隨頻率的升高會(huì)更加快速地增加,疇壁共振和自然共振頻率都降低,導(dǎo)致截止頻率降低,因此剩余損耗增加。
結(jié)語
應(yīng)耀副教授團(tuán)隊(duì)探討了Co離子摻雜和晶界添加劑降低高頻損耗的作用機(jī)制,通過Co離子摻雜和晶界添加劑Ta2O5和YIG的添加,研究和開發(fā)了可應(yīng)用于MHz頻段的高頻寬溫低損耗錳鋅鐵氧體。
并應(yīng)力影響高頻損耗的作用機(jī)制:應(yīng)力的施加使材料的損耗增加,特別高頻下功率損耗的增加更加顯著。
下一期,我們將介紹金屬軟磁粉芯面臨的技術(shù)挑戰(zhàn)與研究進(jìn)展。
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