铁氧体PC95材
锰锌铁氧体材料技术性能的拓展
锰锌铁氧体材料技术性能的拓展刘九皋1,2傅晓敏2( 1中国计量学院东磁研究院浙江杭州310018 )(2横店集团东磁股份有限公司浙江东阳322118)摘要：综述了近两年来世界各大公司锰锌铁氧体材料技术特性日新月异的进步，指出了该材料系列三大板块(高μ，高Bs低功耗，高μQ)相互交叉，求新求全发展的动向，总结了新材料两宽(宽温，宽频)、两高(高饱和磁通密度，高直流叠加性能)、两低(低损耗或低功耗，低谐波失真)的技术特点，提出了以现有材料体系为基础的研发思路。
关键词：软磁铁氧体材料宽频宽温直流叠加低谐波失真Development of Mn-Zn ferrite in magnetic propertiesLIU Jiu-gao1,2, FU Xiao-min21. Research Institute of DMEGC, China Institute of Metrology, Hangzhou 310018, China;2. Dongyang Magnetic enterprise group Co.LTD, Dongyang 322118, ChinaAbstract: In this paper, the latest development of Mn-Zn ferrites of some main enterprises in the world was summarized. This material series mainly have three part: high permeability, high Bs low power loss and high μQ, which are crossing each other. The main characteristics of their development are “two wide” (wide temperature range, wide frequency range), “two high” (high Bs, high DC-bias performance) and “two low” (low loss, low Total Harmonic Distortion (THD)). In addition, the developing direction of Mn-Zn ferrite was proposed, which was based on the existing Mn-Zn ferrite.Key words: Soft ferrite materials; wide frequency; wide temperature; DC-bias; Low THD近两年来，世界各大铁氧体公司竞相提高锰锌铁氧体材料技术性能，以适应日益拓展的应用领域，使这种基础功能材料的发展出现了勃勃生机。
MnZn功率铁氧体发展趋势探讨(201107)
MnZn功率铁氧体发展趋势探讨海宁市联丰磁业有限公司严剑峰李永劬郭凤鸣摘要介绍了MnZn功率铁氧体材料及其制备工艺的近况和发展趋势。
1 前言软磁铁氧体材料的发明与实用化，至今已有70多年。
由于它具有高磁导率、高电阻率、低损耗、易于加工成各种形状以及主要原材料成本相对价格较低等优点，因而可以用它制作成各种电子变压器、开关电源、逆变器、滤波器、扼流圈、电感器、电子镇流器等，广泛应用于家用电器、计算机、手机、通信、办公自动化、显示器、远程监控、电磁兼容、绿色照明、环保节能等领域。
软磁铁氧体的应用领域还在不断扩展，目前在汽车电子、新能源领域又获得了大量应用。
软磁铁氧体是现代信息产业中最重要的基础功能材料之一，与国家经济和人民的日常生活息息相关。
最近几十年来软磁铁氧体始终保持着快速发展的势头，其中MnZn铁氧体约占软磁铁氧体总产量的70%左右, 而MnZn功率铁氧体占MnZn铁氧体总产量的70%左右,所以国内外各个铁氧体公司非常重视对MnZn功率铁氧体材料的研究，投入了大量人力、物力、财力在这个领域中。
目前国内MnZn功率铁氧体的发展已从热衷于新材料开发延伸到重视生产工艺研究和生产设备开发。
2MnZn功率铁氧体材料发展趋势探讨2.1 低损耗材料的发展趋势降低损耗，这一技术趋势一直是功率铁氧体材料几十年来的主要发展特征。
综合半导体和电子线路技术的发展状态，几十年来开关电源的工作频率普遍在20～300kHz左右。
针对这一需求，日本TDK公司陆续推出了具有代表性的PC30、PC40、PC44、PC47等低损耗材料，这些材料的典型特征是不断降低功率损耗（f=100kHz,B=200mT）。
我司也相继推出了NH2A、NH2B、NH2C低损耗材料，更低损耗的NH2G材料（相当于TDK的PC47）在试验室中已开发成功，目前正在生产中试。
表1为国际先进铁氧体公司低损耗材料牌号与我司的对照。
海宁市联丰磁业有限公司（简称“联丰磁业”）低损耗材料NH2C、NH2G的主要技术性能见表22.2 宽温低损耗材料的发展趋势自从TDK在2003年率先推出了宽温低损耗材料—PC95，揭开了宽温应用领域节能时代的序幕，国内外都掀起了研究宽温低损耗材料的热潮。
磁性材料常识参数介绍
磁芯
SPINEL
磁学常识： 磁学常识：磁性材料分类
A）锰锌系 ） 组成约为： 其他为： 组成约为：Fe2O3 71%, MnO 20%, 其他为：ZnO 电阻率高(10 ohm-cm) 电阻率高 磁心损耗低 居里温度高 形状：EE，EI，ER，PQ，RM，POT等型式。 形状： ， ， ， ， ， 等型式。 等型式 用途：功率变压器、 共模滤波器、 用途：功率变压器、EMI共模滤波器、储能电感等 共模滤波器
SPINEL
磁性材质介召：材质发展 磁性材质介召：
在PC50后，TDK相继推 出超低功耗材料PC44，PC45， PC46，PC47，其功率损耗较 PC40降低了约1／4～1／3， 主要差别就在于功耗最低点温 度不同，PC45为60-80℃， PC46为40-50℃，PC47则是 100℃，它们有一个明显的缺 点，一旦偏离了功耗最低点， 损耗值急剧上升。
C点以后是饱和段 点以后是饱和段 点以后是 ab段是上升段 段是上升段 段是 起始磁化 曲线反映 了什么？ 了什么？
磁滞回线中H为 磁滞回线中 为 零时B并不为零 零时 并不为零 的现象说明铁 磁材料具有剩 磁材料具有剩 磁性。 磁性。
0
H
起始磁化曲线
oa段是线性段 段是线性段 段是
起始磁化曲线的ab段反映了铁磁材料的 起始磁化曲线的 段反映了铁磁材料的 高导磁性； 点以后说明铁磁材料具有 高导磁性；c点以后说明铁磁材料具有 磁饱和性。 磁饱和性。
SPINEL
磁学常识： 磁学常识：磁性材料分类
B）镍锌系 ） 组成约为： 其他为： 组成约为：Fe2O3 50%, NiO 24%, 其他为：ZnO 电阻率很高(107 ohm-cm) 电阻率很高 工作频率高 铁心损耗较锰锌系高 居里温度高 型式： ， ，环形等。 型式：DR，R，环形等。 用途：常模滤波器、 用途：常模滤波器、储能电感等
铁氧体基础知识
第13页，共14页。
内容总结
铁氧体基础知识。弱磁性物质：抗磁性、顺磁性、反铁磁性。如尖晶石型铁氧体的化学式 为 MeFe2O4或 MeO·Fe2O3,其中Me是离子半径与二价铁离子(Fe2+)相近的二价金属离子(如 Mn2+、Zn2+、Cu2+、Ni2+、Mg2+、Co2+等)或平均化学价为二价的多种金属离子组。铁氧体 主要有软磁铁氧体、永磁铁氧体和旋磁铁氧体等。缺点：Bs较低尤其是高温Bs，起始磁导率低 尤其在高频下。K10000
7000H 10000H
MA055 MAT05 MA070A MA100
FH4
FH5
H5C4 H5C5
T42
T46
3E6
3E7
12000H 15000H
MA120 MA150
NICERA
NC-2H 2HM5
5M
2B
NC-5Y
NC-7
NC10H/10TB
12H
15H
ACME（越峰）
P4
P41
P51
P46
A043
N42
N4
A05
DMEGC（东磁） DMR40 DMR44 DMR47 DMR50 DMR95 DMR72 DMR71 DMR70 R5K
TDG（天通）
TP4 TP4A TP4D TP5A TP4W
TS5
金宁三环FDK
6H20 6H41
7H10 6H60
2H06
FENGHUA（风华） PG232 PG242
FP2S PC47
MB4F
FP3 PC50 N49 3F4 B40 MC2
FP21 FB45 FQ45
铁氧体前景
铁氧体前景铁氧体是一种具有广泛应用前景的磁性材料。
它由铁、氧和其他金属元素（例如锰、铜、镍等）组成，具有良好的磁性能和物理性能。
铁氧体被广泛应用于电子、通信、医疗、能源和磁记录领域，在未来的发展中有着巨大的发展潜力。
首先，铁氧体在电子行业中有广泛的应用。
它可用于制造电感器、变压器、电源滤波器等电子元器件。
铁氧体具有高电阻率和低损耗的特性，能够有效地减小电磁干扰和噪音，提高电子设备的性能和稳定性。
在电子领域的快速发展和电子设备的多样化需求下，铁氧体市场前景广阔。
其次，铁氧体在通信和信息技术领域具有重要的作用。
铁氧体可用于制造微波器件、天线、滤波器等，广泛应用于移动通信、卫星通信、雷达等领域。
铁氧体具有较高的介电常数和磁导率，能够实现高频率和高速传输，提供稳定和可靠的信号传输。
随着通信技术的不断发展和5G技术的推广，铁氧体市场将持续增长。
此外，铁氧体在医疗设备和医疗技术领域也有广泛的应用。
铁氧体可用于制造磁共振成像（MRI）设备、心脏起搏器、听力助听器等医疗器械。
铁氧体的特殊磁性能可以用来生成强磁场，用于图像诊断和治疗。
随着人们对健康的关注不断增加和医疗技术的进步，铁氧体在医疗领域的前景非常广阔。
最后，铁氧体在能源领域有着重要的应用。
铁氧体可用于制造风力发电机、太阳能电池板等可再生能源设备。
铁氧体的高磁饱和度和低磁滞损耗使得它在转换能量过程中具有高效率和稳定性。
随着全球能源危机和环境污染问题的加剧，对可再生能源的需求也越来越大，铁氧体在能源领域的应用前景非常乐观。
综上所述，铁氧体作为一种具有广泛应用前景的磁性材料，将在电子、通信、医疗、能源等领域发挥重要作用。
随着科技的不断进步和需求的不断增长，铁氧体市场将持续扩大，并在未来的发展中展现出更大的潜力。
磁性材料常识参数介绍
SPINEL
磁性参数与测量：磁损耗 （5） 磁性参数与测量： 3 大信号下的功率损耗Pc
为标准化PC的测量，通常情况下根据使用情况指定 测试频率与Bm，如： 16KHz 150mT; 25Khz 200mT ; 100KHz 200mT等
测量方法
SPINEL
磁性参数与测量：磁滞回线 （1） 磁性参数与测量： 1 饱和磁感应强度Bs、剩余磁感应强度Br、 矫顽力Hc
2003年其推出的PC95则属于宽温低功耗功率铁氧体新材料，起始磁导率 为3300±25﹪；25℃时饱和磁通量密度为540mT，100℃时为430mT； 25℃～120℃内功率损耗均小于350 Kw／m3（B=200mT，f=100KHz），在 25℃和120℃时，功耗均为350 Kw／m3，80℃时为280 Kw／m3。这种材料 是目前性能最为优良的功率铁氧体材料。
磁性参数与测量：磁损耗 （2） 磁性参数与测量： 1 损耗因子tanδ
气隙对损耗因子的影响 磁芯开制气隙后，可以增加磁场和温度的稳定性，损耗因 子有所下降 （tanδ）gap = tanδ·µe/µi 比损耗因子 ，与材料几何尺寸无关，表示小信号下材料 的损耗特性；
SPINEL
磁性参数与测量：磁损耗 （3） 磁性参数与测量： 2 品质因素 Q
SPINEL
磁性参数与测量：磁导率温度稳定性 磁性参数与测量： 磁导率温度稳定性αμ
定义为：由于温度的改变而引起的被测量的相对变化 与温度变化之比。例：磁导率的温度系数为： αμ=
μ2－μ1 μ1（T2－T1）
式中：μ1是T1温度时的磁导率，μ2是T2温度时的磁导率 。因对于同一种软磁材料，其磁芯的αμ/μi值是一个常 数。故常用αμ/μi来表示温度特性。
电动汽车拆解2——DC-DC转换器
DC-DC 转换器（一）：提高电压转换效率TDK 已开始向混合动力车及电动汽车提供“DC -DC 转换器”。
电动汽车充电电池的电压高达数百伏。
DC-DC 转换器将充电电池的电压降至14V ，提供给铅蓄电池。
再把铅蓄电池作为电源驱动发动机的辅机类、雨刷及前照灯等器件。
世界首款量产混合动力车的投入使用已经12年。
包括TDK 在内，DC-DC 转换器单位体积的功率密度逐年提高，估计今后也是这一趋势。
TDK 的DC-DC 转换器于1997年实际应用于混合动力车。
本田将在现行的“思域混合动力车”和新款Insight 上采用（图1）。
还被部分海外厂 商应用于混合动力车。
Insight 之所以采用TDK 制造的DC-DC 转换器，是因为能够满足小型与轻量化的要求。
本田对Insight 减小了包括DC-DC 转换器和逆变 器在内的PCU （功率控制单元）尺寸及镍氢充电电池的尺寸。
这些器件在思域混合动力车中曾配置在后座后面，而在Insight 中，却配置在行李舱下面，以 使行李舱的可用空间比以前增大。
DC-DC 转换器的小型化有利于扩大行李舱容量，降低成本。
Insight 上使用的最新款DC-DC 转换器与思域混合动力车上配备的原产品相比，重量减轻45％，容积减小5％（图2）。
重量低于1kg 。
转换效 率确保在90％以上。
省去交流发电机混合动力车及电动汽车导入DC-DC 转换器之后，可省去交流发电机。
交流发电机利用发动机的旋转发电，发出的电为铅蓄电池充电（图3）。
电动汽车的充 电电池容量很大。
因此，以充电电池为电源，能够利用DC-DC 转换器为铅蓄电池充电。
从而可以省去原来的交流发电机（图4）。
Insight 就未配备交流 发电机（图5）。
图1： 本田新款混合动力车“Insight”的后座周围采用小型化PCU （功率控制单元）。
原来配置在后座后面，通过小型化，得以配置在行李舱下面。
后座后面可 以当作行李舱空间使用。
磁性材料的特性及应用
减落因数： 减落因数： 在恒温条件下，完全退磁的磁芯的磁 导率随时间的衰减变化。 电感因数： 电感因数： 电感因数定义为具有一定形状和尺寸 的磁芯上每一匝线圈产生的电感量， 即
AL = L N2
3.电阻率： 电阻率： 电阻率 具有单位截面积和单位磁路长度的磁性 材料的电阻。与适用频率相关 由低到高排序: 硅(镍)钢片---金属磁粉芯: ( ) ----锰锌铁氧体---镁锌铁氧体---镍锌铁氧体
4.功率损耗： 功率损耗： 功率损耗 磁芯在高磁通密度下的单位体积损耗 和单位重量损耗；是磁滞损耗、涡流 损耗和剩余损耗三者之和；是衡量功 率型 材质优劣的重要参数,常用的测试 条件有100KHZ/200mT和25KHZ/200mT. （图）
5.居里温度： 居里温度： 居里温度 居里温度是磁性材料从铁磁性到顺磁性 的转变温度，或称磁性消失温度。一般 表示方法：随温度升高，磁导率下降到 最大值的80%，20%时，这二点联线，延 长到与温度轴的交点，即为居里温度。 (图)
3.磁芯型式上的优缺点 磁芯型式上的优缺点: 磁芯型式上的优缺点
EE或EI型:
结构简单,易加工,成本低. 漏磁多,空间利用率一般.
ER型: 结构相对简单,易加工,成本低. 漏磁多,空间利用率较好.
EFD,EPC型: 结构较复杂,易变形,成 本高 但可获得较低成品高 度,实现扁平化.
EP型:
结构较复杂,难加工,成本高 卓越的磁屏蔽性能,且信号传输失真度小.
2.磁导率 磁导率 初始磁导率是磁性材料的磁导率在磁化 曲线始端的极限值.它和温度、频率有关。
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铁氧体PC95材
各种电源装置和回路实现了小型化、省电化，达到了同行业最高水准，在-40到+120°C这种较宽的温度范围内，实现了低损耗、高饱和磁通密度特性，是一种最新型的电源用锰-锌系铁氧体材料。
开拓了磁芯损耗-温度特性的新的控制领域。
加速实现了降低燃料成本、省电、小型、轻量化。
PC95材料的优点是可以在较宽的温度范围内最大限度地发挥变压器所具有的特性，这种特性不仅可以实现通常的开关电源已经达到的省电、电源电路的轻量•小型化，同时还可以实现动力混合汽车(HEV)、电动汽车(EV)、燃料电池电动汽车(FCEV)上用的DC-DC转换器、以及装有大量驱动背景照明用变频变压器的大型液晶电视、显示装置、支持高速度•大容量IP通信的路由器、网络开关等的进一步省电，以及实现电源电路的轻量•小型化。
比如，举其中的一个例子，我们在电动汽车用的DC-DC转换器的主变压器的材料上，将使用以往的铁氧体材料2种材质的主变压器与使用PC95材料的主变压器的情况做了一个比较，将其变压器总损耗量的比较(比率)示于下图表。
考虑电动汽车在行驶一年期间内的温度以及各种条件的变化的情况，我们进行了模拟实验，其结果表明，由于使用了PC95材料，DC-DC转换器用的主变压器的总损耗率可以降低约30到40%。
不用换算成燃料成本，PC95材料的省电和节省资源效果就大大超过了以往材料的水平。
根据应用的发热状况来制御变压器损耗的以往手法
以往，降低电源用铁氧体材料损耗的方法，是利用构成铁氧体最小磁化结构的单位晶粒中的
介于易磁化轴之间的能屏障高度＝此值越大越不容易正、负两个晶体磁性各向异性常数K
1(
磁化)值会因温度的升高(热干扰作用)而变小这一特性而降低电源用铁氧体材料损耗的。
将正、负两个K1相抵消的温度*设定在适合各种主要是通过操作显示正K
1值的金属离子量，
电源回路的最佳值。
＊K
1为妨碍外部磁场作用的磁偶极矩方位转换(即磁壁移动)的能屏障，但是由于在K
1
为0时的温度条件下，
磁壁可以大幅度地移动，代表每个单位磁场的磁壁移动幅度的初始磁导率μ
i
值达到最高值，这时的损耗则是最低损耗。
除了变压器以外，造成损耗原因的各种零件所发出的热能都可能引起电源回路温度的升高，
但是将连续使用时整个电源回路的温度所达到的最高温度稍高的温度,设定为铁氧体材料K
1为零度的温度，可以在磁芯损耗为最低的温度领域时使用变压器，同时，无论任何原因所造
成变压器周围温度的升高，只要在其温度以上设定的K
1温度不超过零
(即最小损耗)的温度，就可以避免大幅度热上升。
比如，电源用铁氧体PC44材料，以及作为其改良材料在行业中实现了最低水准的低损耗特性的PC47材料，是最适合用在各种开关电源的变压器上的最佳材料，可以在100°C左右
设定使磁芯达到最低损耗的温度(K
1为零的温度
)。
同时，在40°C左右设定了使磁芯损耗量最小的点的PC46材料，是为在液晶显示器的背景照明的DC-AC变频回路上使用而开发研制的材料。
以往，使适合电源用铁氧体材料的物理特性的应用达到最佳化的以往的作法，是在最低水准的磁芯损耗范围内，可以驱动变压器这一点上，实现了可以事先设定电源回路的温度上升状况以及到达最高温度的家电产品的省电效果。
迅速升高的对应较宽温度范围•低损耗电源的必要性
但是，近年来，出现了应用于HEV(动力混合汽车)、EV(电动汽车)、FCEV(燃料电池电动汽车)等的新型电源，以往的作法已经难以对应。
在很久以前就已经将提高电源回路的效率以及实现小型、轻量化作为必须解决的技术课题。
但是，除了行驶时的环境温度的变化，还因为负荷的增减也会引起温度状况的急剧变化，特别是在电源系中最核心的DC-DC转换器中，需要在较宽的温度范围内将损耗控制在较低水准，这是必须在设计中解决的课题。
另外，在AV产品领域中，液晶电视、液晶显示装置的画面尺寸也越来越大。
这些大型液晶显示器的背面，装有大量的背景照明用冷阴极管和点灯用变频回路，这些冷阴极管子和点灯用变频回路的散热效率因其配置的位置而异，到达的最高温度也呈梯形，使用以往的针对特定温度的材料，很难实现综合并彻底的节电、降低损耗的设计。
同时，像产生这种温度梯度的组装电源，还可以用在信息通信领域中的IP服务路由器以及网络开关等方面。
由于MPU、网络处理器、存储控制器等的快速升级，处理速度的迅速提高，目前，400W，500W等级的多层架存储装置已经屡见不鲜，单纯靠强制空气冷却排热扇对装有电源回路的各种收藏架的散热已经无法消除中央部位以及外围部位的温度梯度，今后，消费电力将大大增加，在这种情况下，进一步提高这些分散电源系统的效率、实现低发热化则越来越成为大课题。