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中瑞电子陆明岳总工谈高磁导率MnZn铁氧体磁性材料进展及其应用

日期: 2015-03-18
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随着高性能电子元器件的市场需求加大,高磁导率MnZn铁氧体磁性材料由于其特殊的电磁性能,在开关电源、汽车、通讯等领域取得了非常广泛的应用。在由大比特资讯主办的“第三届自动化生产暨高性能磁性材料应用技术研讨会”上,山东中瑞电子股份有限公司总工程师陆明岳谈到《高磁导率MnZn铁氧体磁性材料进展及其应用》。


陆明岳总工程师(研究员级高工)从事软磁铁氧体研究开发及生产制造工艺技术研究二十多年,拥有多项省部级科研成果和国家发明专利,获得多项省市成果奖励,主持制定国家标准和行业标准各2项、参与制定国际标准1项,发表学术论文近70篇。现为全国磁性元件与铁氧体材料标准化技术委员会委员、中国电子学会应用磁学分会委员、《磁性材料及器件》以及大比特《磁性元器件与电源》期刊编委。


山东中瑞电子股份有限公司总工程师陆明岳


会上,陆总提到目前高磁导率MnZn铁氧体磁性材料主要应用领域以下几方面:


(1) 开关电源、LED电源、电源适配器、电视电源、抗电磁干扰、新能源等。


(2) 汽车电子、消费类电器(家用电器)、移动设备和网络通信等。


按照应用领域,可分为以下10种。


一、 普通的高磁导率MnZn铁氧体磁材料


主要用于传统的电感器、脉冲变压器、共模扼流圈等。目前所知道的材料,从磁导率来说,据报道能做到30000,但市场上能真正能够买到的材料磁导率一般是5000~15000。依国内的生产状况看,大部门厂家能够生产磁导率为5000~10000的产品,而真正能稳定批量生产磁导率达12000~15000的厂家,还屈指可数。


高磁导率材料的主要性能特点是,磁导率越高,频率特性就会越差,损耗也越高,这是由材料本身的特性决定的。


二、 宽频高磁导率MnZn铁氧体磁性材料


主要用于EMI(抗电磁干扰)领域。譬如在电源中的共模扼流圈等,利用磁芯的高磁导率特性,对干扰的信号进行抑制。该种材料磁导率范围通常在5000~10000之间,对于能够生产磁导率达到10000--12000的厂家则很少。


三、 宽温高磁导率MnZn铁氧体磁性材料


要求是—20℃~60℃的温度范围内,都具有较高的磁导率,主要是应用于室外电气、通讯设备。原因是室外环境温度受气候的影响较大,例如:冬天与夏天的温差较大。


四、 低THD(谐波失真)高磁导率材料


主要用于信号和数据传输应用领域。例如XDSL调制解调器。代表性材料磁导率主要有两种:4000和7500。这种材料对THD要求很高,在-40℃至85℃的外部环境下,要求THD值比较低,否则数据传输失真,信号容易丢失。除材料特性以外,磁芯的形状对产品的THD影响也很大。可通过对形状的设计来降低产品的总谐波失真。以下是EP型磁性形状演变的过程。


普通EP型磁心形状的演变


五、 高DC-bias(直流偏置)高磁导率材料


主要用于高速LAN Modem脉冲变压器,对材料的直流叠加特性具有较严格的要求。因为磁芯在工作过程中,在线圈中通常有几十毫安的直流成分,普通的高磁导率铁氧体材料如果有直流叠加层,磁导率会下降很多。


代表性材料一般有两种,


一是:常规代表性的材料,磁导率不高,约4200~4500,但这种材料的直流叠加特性是非常好的。


二是:宽温高DC-bias高磁导率材料,其中有美国Ferronics推出的BE材料,温度特性从-40℃到100度,直流叠加特性非常好。


六、 高Bs高磁导率材料


主要应用于网络通讯宽带变压器,尤其在需要开微小气隙,以及工作场Bm(磁感应强度)较高的场合。


代表性材料主要有DN50、N45材料(EPCOS)。这种材料的Bs(饱和磁感应强度)很高,达5000以上,磁导率μ≥5000。


七、 低应力敏感高磁导率材料


主要用于环形电感器、网络小磁环。


1、 环形磁心,如图(1)外径是127mm,材料磁导率是7k或者是5k,用于电梯控制模块。图(2)为含有外壳的电感器,外壳的作用是避免应力直接作用于磁心上,导线不直接绕在磁心上,而是绕在塑料外壳上。




图(1)大磁心             图(2)含有外壳的电感器


2、应用于局域网的网络变压器,其中包含很多小磁环,因为这些小磁环都需要经过绕线、封装,在环氧树脂固化的时候就会对磁心产生应力,常规的高磁导率材料就无法胜任,磁导率会下跌很多。通常磁导率随着应力的变化而变化,一般来说,应力增加,磁导率会下降。





图(4)


八、 宽温高Tc高磁导率材料


属于特定领域的应用材料。宽温方面,要求工作范围为居里温度-40℃~150℃。主要用于汽车电子领域。由于汽车使用分布全球,区域范围很大,温度差异大,譬如俄罗斯西伯利亚的温度可低至-50℃。如果是传统的材料就无法正常工作。


对高温的要求,主要考虑到汽车引擎体积小,很多电子元器件积聚于此,当汽车引擎正常发动后,附近的环境温度高达140℃以上,而正常的高磁导率材料的居里温度通常是120-130℃左右。因此汽车应用领域对高磁导率材料的居里温度提出了更高更严格的要求,—40℃~150℃的环境下,要求具有比较高的磁导率。同时,具有良好的阻抗频率特性。


比较好的代表材料:改进型T35,磁导率是10000,居里温度高达165℃以上。常规而言,磁导率是10000的材料,居里温度一般是120℃到130℃。磁导率是7000的材料,居里温度是160℃以上。总体而言,T35是针对特定领域开发的比较好的宽温材料。


九、 低温高磁导率材料


最低工作温度可低于—60℃,主要是应用于极低温下的网络通讯。常规材料在-40℃时,磁导率μ≤4500。在-60℃时,磁导率μ≤2000,这些都是由普通材料特性决定的。


代表性的材料:美国Ferronics公司的L材料。-40℃时,高磁导率μ≥7000, -60℃时,高磁导率μ达到4500。


十、 其他特殊应用高磁导率材料


主要应用在EMC领域(尤其是在家用电器及工业设备上),部分取代昂贵的金属磁粉心。其主要目的是降低成本,因为一些金属磁粉心比铁氧体材料成本贵很多,譬如非晶纳米晶。在一些工作频率不是很高的电器上,完全可以用铁氧体来取代金属磁粉心。


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