適用500 kHz高磁通密度的寬溫低損耗MnZn鐵氧體

應 耀，王能超，張浩翔，沈鑫騰，熊賢波，車聲雷

(浙江工業大學 材料科學與工程學院，浙江 杭州 310014)

隨著5G大容量通信技術和第三代寬禁帶(WBG)半導體的不斷發展，電子器件朝著高頻化、小型化、集成一體化、大功率化和高效化發展，特別是SiC，GaN半導體在開關電源中的應用，進一步促進了開關電源走向小型化、高效化[1-4]。高頻化是電子器件中的開關電源走向小型化、高效化的必經途徑。軟磁材料在各類電子器件中有廣泛應用[5-7]。軟磁鐵氧體材料是開關電源的核心材料，在能量轉換過程中起著關鍵作用。然而，第三代寬禁帶(WBG)半導體在新型功率電子器件中的應用，對軟磁材料提出了更高的要求，帶來了新的挑戰。軟磁材料盡管也在不斷發展，但至今為止沒有任何現有的軟磁材料可以使寬禁帶半導體驅動的高頻電源充分發揮其高功率密度、高能效的優勢。這促使開發新的軟磁材料與之匹配，以充分發揮高頻電力電子器件在效率、尺寸、重量和功率等方面的潛力[8]。鐵氧體材料電磁能量轉換的效能一般用電磁轉換能力功率密度表示。電磁轉換能力功率密度，即為激勵磁通密度B和頻率f的乘積f·B數值，f·B越大說明該開關電源的電磁轉換能力越高。為使開關電源更加高效，必須提高軟磁鐵氧體材料的工作頻率，同時提高其磁通密度。然而隨之而來的問題是材料的功率損耗也會隨著磁通密度B和頻率f的增加而急劇的升高。因此，若要提高現有高頻軟磁材料使用頻率f，就必須同時降低磁通密度B，以控制磁芯損耗不至于升得過高。但是這樣一來，在高頻和較低的磁通密度下，激勵磁通密度B和頻率f的乘積f·B增加不多甚至反而下降，實現不了小型化、高能效的目標。因此研發在較高磁通密度和較高頻率下工作的低損耗磁芯材料變得非常地緊迫。隨著電動汽車行業和新型節能光電光源的發展，要求電子元器件(如DC/DC轉換器等)工作在溫度波動較寬的條件，這要求軟磁鐵氧體材料向著寬溫度應用范圍內的低損耗性能方向發展。

MnZn功率鐵氧體材料作為磁芯因其高電阻率具有良好的高頻特性，廣泛地應用于電子器件中，如DC/DC變換器、高功率LED驅動器、光伏系統的微逆變器[9-11]。為了滿足電源高頻化的需求，國內外許多的鐵氧體材料公司和科研院所都投身于高頻低損耗MnZn鐵氧體材料的開發當中?，F有的高端功率鐵氧體中，代表性的材料是寬溫低損耗MnZn鐵氧體PC95，其工作頻率為100 kHz；長期以來，高頻功率鐵氧體的代表一直是日本TDK公司于1989年發布的PC50[12]，雖然其工作頻率可達500 kHz, 但其激勵磁通密度只有50 mT, 而且不具有寬溫特性。針對PC50存在的這一問題，2016年，Kogias等[11]通過優化Sn4+和Co2+的摻雜量以及改變主成分Mn/Zn之間的比例，得到了在500 kHz損耗溫度穩定性良好的MnZn功率鐵氧體。其在500 kHz，100 mT的測量條件下，谷點溫度為80 ℃的功率損耗降低至618 kW/m3。日本的日立金屬公司于2018年10月宣布開發了一種MnZn鐵氧體材料ML27D[13]，其300～500 kHz頻率下損耗大幅度降低，從而可以提高使用磁通密度。ML27D在500 kHz，100 mT的損耗為23 ℃下550 kW/m3，100 ℃下720 kW/m3，是PC50發布以來二十多年間這一頻率段第一次出現的升級產品，有利于電源的小型化和高能效化。但是，ML27D在100 ℃下高于500 kW/m3的功率損耗仍然極大地限定了材料在電源設計中的應用范圍，尤其是無法滿足高能效應用的要求，還需要進一步予以改進。筆者研究了工作頻率為500 kHz，磁通密度為100 mT的寬溫低損耗MnZn功率鐵氧體材料性能的進一步提升。通過優化主成分Fe2O3摩爾分數、添加劑SiO2摩爾分數和燒成條件，成功開發了一種在此條件下具有寬溫低損耗特性的MnZn鐵氧體材料，功率損耗比ML27D又有了大幅度的降低。進一步分析了磁晶各向異性異性常數K1值對磁導率和損耗的影響及100 mT下頻率f與損耗關系并進行損耗分離，闡明了該材料在工作頻率500 kHz下磁滯損耗是損耗的主要來源。

1 實 驗

1.1 材料制備

采用固相反應法制備。以Fe2O3，Mn3O4和ZnO為實驗原料，Fe2O3摩爾分數為53.9%～54.4%，ZnO摩爾分數為1.0%～3.5%，其余為Mn3O4。稱量后混合球磨16 h，烘干后在850 ℃保溫3 h，然后加入CaCO3，SiO2和Co3O4等添加劑，并二次球磨16 h，干燥后加入質量分數比為10%的PVA溶液造粒，壓制成外徑為15 mm，內徑為9 mm，高度為8 mm的環狀樣品。成型后放置在管式爐中間位置于1 150 ℃下燒結，燒結過程中根據Morineau和Paulus的平衡氧分壓公式控制升降溫各個階段的氧分壓。

1.2 材料表征

利用日立(Hitachi)SU1510掃描電子顯微鏡(SEM)觀察燒結樣品的微觀形貌，用截線法估算材料的平均晶粒尺寸D，通過美國安捷倫(Agilent)E4980A精密LCR測試儀測試磁環的磁導率，使用日本巖崎通信公司(IWATSU)SY-8218交流BH分析儀測試材料在不同溫度及頻率下的功率損耗，用阿基米德排水法計算樣品的密度d。

2 結果與討論

2.1 Fe2O3摩爾分數對MnZn功率鐵氧體微觀結構及磁性能的影響

圖1為不同Fe2O3摩爾分數的MnZn鐵氧體樣品斷面形貌的SEM圖。由圖1可以明顯看到：隨著Fe2O3摩爾分數的增加，樣品的平均粒徑不斷地減少，晶粒的均勻性先變好后變差。經截線法分析得到，對于摩爾分數為54.0%，54.2%，54.4%的Fe2O3樣品平均粒徑依次是4.10，3.89，3.54 μm。氣孔率隨著Fe2O3摩爾分數的增加變化不大。通過阿基米德排水法測量樣品的密度，所有樣品的密度都在4.90 g/cm3左右。

圖1 不同Fe2O3摩爾分數的MnZn鐵氧體樣品的SEM圖

圖2為不同Fe2O3摩爾分數的樣品在500 kHz,100 mT條件下的功率損耗Pcv隨著溫度變化的曲線。所有材料在較寬溫范圍內保持較低的功率損耗。Fe2O3摩爾分數為53.9%時Pcv曲線出現了兩個谷點的跡象，其中低溫區的谷點在-10 ℃以下，高溫區的谷點出現在110 ℃。隨著Fe2O3摩爾分數的不斷增加，低溫區谷點由低溫向高溫移動，而高溫區的谷點則向低溫移動。與此同時，兩個谷點之間的Pcv隨著Fe2O3摩爾分數的增加而降低。當Fe2O3摩爾分數超過54.3%時，整個溫區范圍的Pcv整體又上升。

圖2 不同Fe2O3摩爾分數的MnZn鐵氧體樣品的Pcv隨溫度變化關系曲線

由于本實驗摻入了一定量的Co3O4，一般認為它以Co2+的形態存在并會進入鐵氧體晶格。相對于MnZn鐵氧體的負K1值，Co2+與Fe2+類似，具有很大的正K1值[14-17]，結果如圖3的曲線2所示，在Fe2+和Co2+雙重補償且比例適合的情況下，與具有較低負K1值的鐵氧體疊加一起，在低溫和高溫下會同時出現兩個K1=0的補償點，此時Pcv出現兩個谷點。從圖3可以看出：在Co2+摩爾分數確定，Fe2+增加將K1曲線整體向上移動，則低溫的K1=0補償點向高溫移動，高溫的K1=0補償點向低溫移動，因此Pcv曲線低溫區谷點由低溫向高溫移動，而高溫區的谷點則向低溫移動。同時，兩個K1=0補償點之間的K1絕對值變小，這有利于降低了磁滯損耗[18]，因此Pcv隨著Fe2O3摩爾分數的增加而降低。當Fe2O3摩爾分數繼續增加超過54.3%時，K1曲線整體超過0，此時損耗反而增加了。Fe2O3摩爾分數54.3%的樣品功率損耗在較寬溫度范圍內都可以達到最小值，在500 kHz,100 mT條件下，25，80，100 ℃時，材料功率損耗分別為292，446，542 kW/m3。

1—無Co2+；2—適量Co2+；3—過量Co2+。

2.2 SiO2添加量對MnZn功率鐵氧體微觀結構及磁性能的影響

對于應用在高頻率段的鐵氧體而言，渦流損耗所占的比重不可忽視。適量的微量添加劑SiO2和CaCO3會在晶界處形成的CaSiO3高電阻層，這可以極大地增加材料的電阻率，從而可以顯著降低高頻下的渦流損耗。因此基于前面對不同Fe2O3摩爾分數樣品的損耗結果測試分析，選取最佳配方Fe2O3摩爾分數54.3%的樣品，通過調節添加劑摩爾分數來進一步改善損耗性能的實驗。通過固定CaCO3摩爾分數，改變SiO2的添加量來改變SiO2-CaCO3添加劑比例來改變晶界電阻層，從而獲得在該條件下磁性能最佳的添加劑的量。

圖4是不同SiO2添加量MnZn功率鐵氧體的斷面SEM圖，可以看到：隨著SiO2添加量的增加，晶粒逐漸變小，晶粒內部的氣孔也逐漸消失。SiO2添加量為150×10-6的樣品晶粒尺寸最為均勻，晶界明顯。當SiO2添加量繼續增加到200×10-6，晶粒又有變大趨勢。

圖4 不同 SiO2添加量樣品斷面的SEM圖

圖5為500 kHz，100 mT的條件下，樣品功率損耗Pcv隨SiO2摩爾分數變化的溫度特性曲線。由圖5可以清楚地看到：隨著SiO2摩爾分數的增加，整體損耗呈現先減少后增加的趨勢。最佳磁性能出現在SiO2添加量為150×10-6時，樣品的損耗值在寬溫范圍內(25～120 ℃)都達到最低。最佳磁性能SiO2添加量150 ×10-6的樣品，在10～120 ℃的寬溫范圍內功率損耗都小于600 kW/m3，在25，80，100 ℃時，材料功率損耗分別為307，345，413 kW/m3。

圖5 不同SiO2添加量MnZn鐵氧體樣品的Pcv隨溫度變化關系曲線

利用磁學理論對不同SiO2摩爾分數樣品的損耗結果進行分析，為高頻低損耗MnZn鐵氧體材料的制備提供一些參考。MnZn鐵氧體的功率損耗的函數[18-20]為

(1)

式中：f為頻率；Bm為磁通密度；k為常數；x為斯坦梅茲系數(Steinmetz exponent)；y為頻率指數。

從理論上講，錳鋅鐵氧體的功率損耗按照不同的產生機理可表示為

PL=Ph+Pe+Pr=KHB3f+

KEB2f2/ρ+Pr

(2)

式中：Ph為磁滯損耗；Pe為渦流損耗；Pr為剩余損耗[21-22]；KH，KE為常數；B為磁通密度，mT；f為工作頻率，kHz；ρ為電阻率，Ω·m。從式(2)可以看出：材料自身特性、材料的工作頻率f和磁通密度B對錳鋅鐵氧體的功率損耗都有影響。圖6給出了100 ℃時，100 mT下SiO2添加量為150×10-6的樣品磁芯損耗Pcv隨頻率f的變化關系。通過對500 kHz頻率以下的數據進行擬合，得到該鐵氧體的頻率指數y=1.219，近似于1，通過與式(2)對比，頻率指數y接近于1說明磁滯損耗貢獻了大部分的功率損耗，即表明了磁滯損耗在總功率損耗中占主導作用。

圖6 功率損耗隨頻率f的變化

對于工作頻率為500 kHz的材料而言，剩余損耗Pr幾乎可以忽略不計[23]。所以可得

PL≈Ph+Pe=KHB3f+KEB2f2/ρ

(3)

依次對不同SiO2摩爾分數的樣品總損耗進行損耗分離得到100 ℃下磁滯損耗和渦流損耗隨SiO2摩爾分數的變化如圖7所示?？梢钥吹皆?00 kHz，100 mT的情況下，磁滯損耗Ph占在總損耗中占主導地位，渦流損耗Pe占的比重較低，這一現象與圖6所推論的結果趨于一致(y=1.219)。

圖7 磁滯損耗和渦流損耗隨SiO2添加量的變化

從圖7可知：100 ℃下磁滯損耗隨著SiO2摩爾分數的增加先減少后增大。根據對圖7的分析可知：SiO2添加量在0～150×10-6時，隨著SiO2添加量的增加，晶粒變得越均勻，氣孔減少，對磁疇轉動和疇壁位移的阻礙減少，從而使得磁滯損耗減少，并在SiO2添加量為150×10-6時達到最低。當SiO2添加量達到200×10-6時，過多的SiO2破壞了晶粒的均勻性，磁滯損耗上升。而渦流損耗隨著SiO2添加量的增加呈現不斷減少的趨勢。隨著SiO2添加量的增加，SiO2可以更好地與CaCO3反應生成CaSiO3，CaSiO3在晶界處析出可以形成具有一定厚度的高電阻層，使得材料的電阻率增大[24]，由式(3)可知電阻率的增大可以降低了材料的渦流損耗。最終使得SiO2添加量為150×10-6時寬溫范圍內整體損耗都是最低值。

通過主成份Fe2O3摩爾分數和添加劑SiO2的優化，得到最佳磁性能的樣品在80 ℃時，功率損耗為345 kW/m3，相比于Kogias等[11]的研究結果降低40%以上；100 ℃時樣品的功率損耗為413 kW/m3，與100 ℃下日本的日立金屬公司ML27D材料功率損耗720 kW/m3相比也降低40%以上。開發的工作頻率為500 kHz的寬溫低損耗MnZn功率鐵氧體有助于進一步匹配第三代寬禁帶半導體驅動的高頻電源，從而促進電力電子器件的高頻化小型化。

3 結 論

通過主成份Fe2O3摩爾分數和添加劑SiO2的優化，成功制備了可應用于500 kHz頻率，并在較高磁激勵通密度(100 mT)和較寬溫度范圍內功率損耗大幅度降低的MnZn鐵氧體，MnZn功率鐵氧體在500 kHz，100 mT的測試條件下，10～120 ℃的寬溫范圍內功率損耗都小于600 kW/m3。25，80，100 ℃的損耗值Pcv分別為306，345，413 kW/m3，與Kogias等2016年發表的實驗室結果和2018年日立金屬發布的ML27D產品目錄值相比，損耗降低40%以上。通過損耗分離公式分析，表明磁滯損耗在總功率損耗中占主導作用。