高頻開(kāi)關(guān)電源變壓器用功率鐵氧體的制備技術(shù)

O 引言
    隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展,進(jìn)一步增加了對(duì)電子設(shè)備的多功能化和高密度化的需求,作為電子設(shè)備不可缺少的開(kāi)關(guān)電源,迫切要求實(shí)現(xiàn)小型輕量化。而為了使開(kāi)關(guān)電源小型化,首先要求開(kāi)關(guān)電源變壓器小型化。工作頻率更高的PC44及PC50功率鐵氧體材料和磁芯就是為適應(yīng)這種需求而發(fā)展起來(lái)的。

    鐵氧體的性能并不是僅僅由其化學(xué)成分及晶體結(jié)構(gòu)決定的,還需要研究和控制它們的密度、晶粒尺寸、氣孔率以及它們?cè)诰Я?nèi)部和晶粒之間的分布等。因此,制備高性能功率鐵氧體材料,配方是基礎(chǔ)、燒結(jié)是關(guān)鍵。配方和密度決定著材料的飽和磁通密度Bs(功率鐵氧體磁芯通常工作于有直流偏置場(chǎng)的狀態(tài)下,高Bs是為了保證磁芯具有高直流疊加特性的需要)和居里溫度(fc),而摻入有效的添加物并與適當(dāng)?shù)臒Y(jié)工藝相匹配,則對(duì)鐵氧體的性能具有決定意義,影響著固相反應(yīng)的程度及最后的相組成、密度和晶粒大小等,使軟磁鐵氧體的微觀結(jié)構(gòu)得到更有效的控制,從而確保材料的主要特性參數(shù)達(dá)到和諧的統(tǒng)一。

1 高性能功率鐵氧體的主配方選擇
    為提高功率轉(zhuǎn)換效率并避免飽和,要求用在高頻開(kāi)關(guān)電源變壓器中的功率鐵氧體材料具有高Bs、高起始磁導(dǎo)率(μi)和高振幅磁導(dǎo)率(μa),同時(shí)為了避免變壓器在高頻下發(fā)熱擊穿,材料的功率損耗(Rc)應(yīng)盡量小,希望呈負(fù)的溫度系數(shù)?梢哉f(shuō),衡量功率鐵氧體材料優(yōu)劣的3個(gè)重要磁性能參數(shù)是μi、曰Bs和Rc以及這些參數(shù)的頻率、溫度和時(shí)間穩(wěn)定性,它們之間是一個(gè)矛盾的統(tǒng)一體,某些參數(shù)甚至嚴(yán)重對(duì)立,將它們有機(jī)統(tǒng)一的總體思路是控制磁晶各向異性常數(shù)K1~t曲線及鐵氧體的微觀結(jié)構(gòu),在配方、添加物和燒結(jié)工藝上使K1有一個(gè)好的溫度特性,將K1的最小值調(diào)節(jié)到合適的位置,并使其趨向于零。

    μi的大小對(duì)磁芯具有高電感因數(shù)(AL)的貢獻(xiàn)最為直接,因此,保證鐵氧體有較高的μi值是必須的。但另一方面,μi與材料截止頻率fr之間相互制約,提高材料的使用頻率與提高μi是相互對(duì)立的,在實(shí)際材料中只能相互兼顧。

    就功率鐵氧體的Bs鼠和居里溫度tc來(lái)說(shuō),是由配方和密度決定的。對(duì)于功率鐵氧體的主配方,國(guó)內(nèi)外軟磁科研工作者已做了較深入的系統(tǒng)研究,并把它制成如圖1所示的相圖(無(wú)添加物)的形式使之更直觀地表現(xiàn)出來(lái)。日本TDK公司經(jīng)過(guò)多年研究,進(jìn)一步在Mn—zn鐵氧體成分相圖中劃定了取值區(qū)域,其中心位置配方約為:FezO3:MnO:znO=53.5:36.5:10(摩爾分?jǐn)?shù)),這與國(guó)內(nèi)許多企業(yè)PC44的主配方FezO3:MnO:ZnO=53.3:36.5:1O.2(摩爾分?jǐn)?shù))基本一致。就PC44、PC50而言,由于其Bs都比較高,必須采用過(guò)Fe配方,因?yàn)镕e2O3,含量在(51~55)mO1%范圍內(nèi),Bs隨Fe2O3含量的增加而增大(反之,ZnO含量過(guò)多則會(huì)造成材料高溫,或者Bs和tc的下降)。最佳的配方組合可通過(guò)正交工藝試驗(yàn),結(jié)合加雜和燒結(jié)工藝形式優(yōu)選確定。

2 高性能功率鐵氧體的添加物選擇
    功率鐵氧體的化學(xué)成分不是決定鐵氧體性質(zhì)的唯一因素,陽(yáng)離子和晶點(diǎn)缺陷在晶位中的分布起著頭等重要的作用。通過(guò)摻入添加物和工藝調(diào)整來(lái)改善鐵氧體的微觀結(jié)構(gòu),更有助于使材料的主要特性參數(shù)達(dá)到和諧的統(tǒng)一。根據(jù)基礎(chǔ)磁學(xué)理論,功率鐵氧體材料的截止頻率fr與鐵氧體的晶粒大小d右式(1)關(guān)系。
   
式中:Ms為材料的飽和磁化強(qiáng)度;
    β為阻尼系數(shù)。

    由式(1)可知,,與d(μ1一1)成反比例關(guān)系,所以,通過(guò)摻入添加物和燒結(jié)工藝的調(diào)整使晶粒細(xì)化,減小晶粒尺寸,可以提高材料的截止頻率(也就提高了其工作頻率)。但晶粒尺寸的無(wú)限減小,必定增大功率損耗。另一方面,μ1的高低(與燒結(jié)溫度有較大關(guān)系)也關(guān)系到fr的大小。

    對(duì)通常工作在幾百kHz高頻下的PC44、PC50材料而言,功率損耗主要由磁滯損耗Rh和渦流損耗Pe兩部分組成。由于hocBm3(Bm為工作磁通密度),可見(jiàn)為降低Ph,材料的Bs要高,成分的均勻性要好(采用高純?cè)牧?,同時(shí)必須改善晶粒大小的一致性并提高材料密度,盡量減小內(nèi)應(yīng)力。渦流損耗用式(2)表示。
    Pe=(丌2/4)·r2·lf2·Bm2/p      (2)
式中:r為平均晶粒尺寸;
    p為電阻率。

    可見(jiàn),在高頻下降低材料功率損耗主要有兩條途徑:提高電阻率;控制鐵氧體的晶粒在最佳狀態(tài)范圍內(nèi)(晶粒過(guò)小,Pe會(huì)變小,但Ph會(huì)增大)。

    控制晶粒大小和電阻率的最有效辦法是合理地?fù)饺颂砑游锖透纳茻Y(jié)工藝。眾所周知,摻入一些有益的添加物如Sn02、TiO2、Co2O3等,可進(jìn)一步控制材料的K1值,使其在較寬的溫度范圍內(nèi)變得很;復(fù)合添加CaO和SiO2,可增大材料的電阻率、降低材料的功率損耗。實(shí)際上,對(duì)Mn—zn鐵氧體性能提高有實(shí)用價(jià)值的添加物較多,它們的主要作用可分為3類:第一類添加物在晶界處偏析,影響晶界電阻率;第二類影響鐵氧體燒結(jié)時(shí)的微觀結(jié)構(gòu)變化,通過(guò)燒結(jié)溫度和氧含量的控制可改善微觀結(jié)構(gòu),降低功率損耗、提高材料磁導(dǎo)率的溫度和時(shí)間穩(wěn)定性、擴(kuò)展頻率等;第三類則固溶于尖晶石結(jié)構(gòu)之中,影響材料磁性能。Ca、Si等元素的添加物屬第一類和第二類;Bi、Mo、V、P等元素屬第二類;_Ti、Cr、C0、Al、Mg、Ni、Cu、Sn等元素的主要作用屬第三類。

    圖2所示為MoO,、CuO等6種添加物對(duì) Mn—zn鐵氧體磁導(dǎo)率的影響,其中μ1和分別表示未摻添加物和摻入了少量添加物的鐵氧體的磁導(dǎo)率;圖3示出了摻入SiO2對(duì)Mn—Zn鐵氧體磁導(dǎo)率的影響;圖4所示為TiO2添加量對(duì)Mn—Zn鐵氧體μi一t曲線的影響;圖5(a)與圖5(b)分別示出的是復(fù)合添加SiO2、CaO一對(duì)Mn—zn鐵氧體在100 kHz時(shí)的電阻率和比損耗系數(shù)(tanδ6/μi)的影響。

    日本東北金屬公司科研人員在開(kāi)發(fā)SB—lM(相當(dāng)于PC50)材料時(shí),發(fā)現(xiàn)通用的復(fù)合添加物SiO2CaO有一部分會(huì)在晶粒內(nèi)溶解,從而增大磁滯損耗,在500 kHz~1MHz條件下,其降低功率損耗的效果并不好..為此,他們開(kāi)展了卓有成效的研究工作,期望找出不使磁滯損耗增大的更有效提高電阻率的添加物。表l列出了他們的研究成果,在這8種添加物中,Al2O3、SnO2、TiO2都溶解于晶粒內(nèi),幾乎看不到有提高電阻率的效果,其它添加物主要在晶界內(nèi)游離。這些添加物中,HfO2對(duì)提高電阻率最為顯著[2],其降低渦流損耗效果最佳。

    在開(kāi)發(fā)高性能功率鐵氧體材料時(shí),要充分利用前人的成果,不要花過(guò)多精力浪費(fèi)在配方和添加物的摸索上?偟呐浞胶蛽诫s原則是盡可能地使磁晶各向異性常數(shù)K1和磁致伸縮常數(shù)λs趨近于零。選擇添加物要注意以下原則:
    1)摻入添加物總量(wt%)應(yīng)控制在O.2%以下;
    2)CaO(或CaCO3)和SiO2通常是不可或缺的添加物;

    3)V2O5、Nb205、_Ti02、Ta2O5、HfO2、CO2O3等高價(jià)離子組合添加,組分不宜過(guò)多,最好不超過(guò)4種,每種添加物的重量一般應(yīng)控制在1000ppm,以下;
    4)在上述各添加物中,除了Co3+子外,其它離子的K1值都是負(fù)值,如飛利浦公司開(kāi)發(fā)的3F3材料(介于PC40和PC50之間的一種材料),基本技術(shù)要點(diǎn)就是同時(shí)添加了Ti4+和C03+以控制材料的溫度特性,減少磁滯損耗,如圖6所示。

3 高性能功率鐵氧體的燒結(jié)工藝
    燒結(jié)是制備高性能功率鐵氧體材料的關(guān)鍵工序。在燒結(jié)過(guò)程中,升降溫速度、最高燒結(jié)溫度和爐內(nèi)氣氛是該工序中必須嚴(yán)格控制的3個(gè)關(guān)鍵因素,它們對(duì)鐵氧體材料的微觀結(jié)構(gòu)、化學(xué)成分及電磁性能等參數(shù)都有很大影響。合適的燒結(jié)工藝應(yīng)根據(jù)原材料配方及添加物情況、預(yù)燒溫度、窯爐結(jié)構(gòu)及長(zhǎng)度、降溫方式、功率鐵氧體的性能取舍等綜合確定,并通過(guò)材料的最終性能來(lái)進(jìn)行工藝驗(yàn)證和判定。

    升溫速度對(duì)鐵氧體產(chǎn)品的密度、晶粒大小及均勻性有直接關(guān)系,升溫速度過(guò)快將使晶粒尺寸不均勻,內(nèi)部存在較多的氣孔;升溫速度太慢,則燒成的鐵氧體密度低,氣孔明顯增大。為了得到晶粒小而均勻(PC40材料,晶粒約為10~14μm,PC50材料,晶粒約為3~6μm)、氣孔少、密度高、無(wú)開(kāi)裂缺陷的鐵氧體,600℃以下升溫不宦過(guò)快,600~900℃可快一些,900~l100℃為晶粒初生階段,宜平穩(wěn)升溫,同時(shí)采取致密化措施處理,1100℃以上可稍快一些,最高燒結(jié)溫度不大于1 350℃(為限制晶粒尺寸),保溫時(shí)間3~4h即可,然后在氮?dú)?N2)保護(hù)下選擇合適的氧分壓降溫。

    在900~1100℃左右采取致密化措施是十分必要的,其目的是降低鐵氧體中的氣孔率。日本TDK公司特別在意900~1100℃之間的升溫速率和周圍氣氛的控制,他認(rèn)為這個(gè)階段是保證鐵氧體獲得好的微觀結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵,對(duì)PC44、PC50等高性能功率鐵氧體的制備,該階段的控制尤為重要。通常采取的致密化措施是從900 ℃平穩(wěn)升溫至l100℃,再保溫1h,同時(shí)充入適量的N2以控制氧分壓。這可使鐵氧體的表觀密度迅速達(dá)到真實(shí)密度的99%,而且大多數(shù)氣孔是停留在晶界上。當(dāng)然,在1000℃以下的升溫段,保證窯爐內(nèi)有足夠的氧含量及廢氣排氣管道的暢通也是非常重要的。

    在降溫階段會(huì)引起鐵氧體的氧化或還原,通過(guò)加入適量的N2保護(hù)氣氛以控制窯爐內(nèi)的氧分壓,是為了防止鐵氧體在冷卻過(guò)程中Mn、Fe、CoCu等離子變價(jià)、產(chǎn)生脫溶物、引起晶格變化等。過(guò)度的氧化與還原,就有另相如a-Fez03、Fe0、Fe3O4、Mn203析出,從而導(dǎo)致磁性能的急劇惡化。圖7是配方為Fe2O3:MnO:ZnO=51.9:26.8:18. 3(mol%)的功率鐵氧體平衡氣氛相圖,從圖7中可看出氣氛對(duì)尖晶石相和Fe2O3相界內(nèi)氧化狀態(tài)的重要性。要特別注意,先沿等成分線冷卻,接著在最低的溫度下通過(guò)相界迅速冷卻,這時(shí)生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)不敏感,使a-Fe203的脫溶最少,氧化和生成另相的程度最輕。圖8列出了功率鐵氧體的典型燒結(jié)工藝曲線。

4 結(jié)語(yǔ)
    1)制備PC44、PC50等高性能功率鐵氧體材料,配方是基礎(chǔ)、燒結(jié)是關(guān)鍵。
    2)總的配方和摻雜原則是盡可能使磁晶各向異性常數(shù)K1和磁致伸縮常數(shù)λ s趨近于零。
    3)摻入適量的添加物如Ca0、SiO2、V2OS、Ti02、Co203等,并與合適的燒結(jié)工藝相匹配,可改吾高性能功率鐵氧體材料的微觀結(jié)構(gòu),對(duì)提高材料綜合性能的作用更為突出。


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