國(guó)內(nèi)MHz高頻低損耗鐵氧體軟磁材料研究進(jìn)展

【嗶哥嗶特導(dǎo)讀】目前國(guó)內(nèi)MHz高頻低損耗鐵氧體軟磁材料開(kāi)發(fā)進(jìn)展如何？主要面臨哪些挑戰(zhàn)？其損耗大致在什么水平？離大規(guī)模量產(chǎn)還有多大距離？

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(wú)法提高。

接下來(lái)的兩期市場(chǎng)解讀，我們將通過(guò)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(guó)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(lái)，高功率密度車(chē)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(mǎn)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(kāi)關(guān)電源的工作頻率普遍不超過(guò)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(shuō)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(huà)，剩余損耗是急劇增加的，這導(dǎo)致功率器件的過(guò)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(kāi)發(fā)開(kāi)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(kāi)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(wèn)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(guò)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(guò)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(lái)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(guò)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(guò)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(guò)程產(chǎn)生的殘余應(yīng)力，繞線(xiàn)、封裝、組裝過(guò)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(yǔ)

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(guò)Co離子摻雜和晶界添加劑Ta2O5和YIG的添加，研究和開(kāi)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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