国内MHz高频低损耗铁氧体软磁材料研究进展

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国内MHz高频低损耗铁氧体软磁材料研究进展

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网易

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随着电子产品应用频率不断提高，电子变压器、电感的工作频率已逐渐滞后于半导体器件的发展，成为阻碍电子产品高频化的障碍，其中最大的原因就在于软磁材料的工作频率始终无法提高。

近年来，高功率密度车载充电系统和大型数据中心的电压调节系统的应用，对功率电子提出了更高的功率密度、更高的频率、更小的体积和更高的效率等多方面要求。

这些发展方向对配套的软磁材料提出了相应的要求：

大功率：软磁材料需要具有良好的抗饱和能力，以及高的直流偏置性能，以满足大功率应用的需求；
高频化：为了减少涡流损耗，软磁材料需要具有高电阻率，以降低涡流的影响；
小型化：为了提高单位体积内的原子磁矩，软磁材料需要有高的饱和磁密，以便在更小的空间内实现更高的磁场强度；
高效率：低损耗是实现高效率的关键，因此软磁材料需要设计成能够最小化能量损失。

尤其是第三代半导体材料碳化硅、氮化镓的普及应用，让功率电子有望达到更高的MHz工作频率。但目前不管是铁氧体软磁材料还是金属软磁粉芯，其应用于开关电源的工作频率普遍不超过300kHz，迫切需要磁性元件行业提供可匹配第三代半导体MHz频段的高频软磁材料。

浙江工业大学磁电功能材料研究所应耀副教授提到，其研究主要从主配方、添加剂和烧结工艺三个方面去改善锰锌铁氧体软磁材料的高频损耗问题。

主配方：Co离子掺杂

一方面，Co离子掺杂形成了两个K1=0的温度点，既可降低磁滞损耗，良好的损耗宽温稳定性；
另一方面，Co离子掺杂提高了截止频率，降低了高频下的剩余损耗；
通过Co离子的掺杂和优化，获得了高频宽温低损耗锰锌铁氧体软磁材料：
最佳样品在0-140◦C温度范围，损耗低于150 kW/m3(1MHz/50mT)，50 kW/m3 (3MHz/10mT)。

添加剂：Ta2O5的添加

通过对损耗的分离会发现：2MHz以下，损耗是由磁滞损耗和涡流损耗决定；2MHz以上，剩余损耗快速增加。
铁氧体软磁材料在高温下损耗的升高来源于涡流损耗的升高，适量添加Ta2O5，提高了晶粒电阻Rg和晶界电阻Rgb，极大地抑制了铁氧体软磁材料高温下的涡流损耗。

实验结果表明：

Ta2O5添加可以降低锰锌铁氧体软磁材料MHz高频下的损耗，特别是高温下损耗的降低更加明显；
添加适量 Ta2O5的铁氧体软磁材料在25–140◦C温度范围内保持低损耗。

根据相关实验结果，应教授团队还对传统损耗分离公式进行了修正，得到了高频下的损耗分离公式：

软磁材料传统损耗分离公式
修正后的软磁材料高频损耗分离公式
修正后发现，高频下会产生一个与交流电导率相关的额外涡流损耗，传统的损耗分离公式低估了涡流损耗，高估了剩余损耗的大小。

纳米YIG添加剂的选择

高频锰锌铁氧体的磁导率一般不太高，一般非磁性晶界添加剂将使铁氧体的起始磁导率进一步降低。那磁性的晶界添加剂对损耗和磁导率又会有何影响？应教授团队选择了纳米YIG添加剂进行实验。

实验结果表明：

适量添加YIG提高了起始磁导率，起始磁导率分别提高了28.2%和13.9%；
适量添加YIG降低了高频损耗，在1 MHz和3 MHz的室温损耗分别降低了56.4% and 36.6%；
YIG添加对高温损耗的降低更加明显，添加适量YIG的铁氧体软磁材料在25–140◦C温度范围内保持低损耗；
适量添加YIG提高了样品的饱和磁通密度Bs，磁性YIG添加在晶界，降低了样品内部的退磁场，根据非磁性（磁性）晶界模型，较大的晶界磁导率可以有效提高样品的磁导率。
对磁滞损耗和涡流损耗的影响：适量YIG的添加提高了晶界电阻Rgb，极大地降低了材料的涡流损耗，也降低了材料的磁滞损耗；过量添加YIG反而降低了晶界电阻Rgb，使涡流损耗升高。
对截止频率的影响：截止频率随YIG的添加先下降再上升高，与起始磁导率的趋势相反，与斯诺克定律相符。该系列样品具有高的截止频率（9MHz以上），有利于材料应用于匹配第三代半导体的功率电子器件。