用于MHz频段的镍锌功率铁氧体损耗特性.pdf
磁性材料与器件 2005 年 8 月 29 日 MHz 频段镍锌功率铁氧体损耗特性研究与分析实验 宋小培，张怀武，杨宗宝，苏华，电子科技大学微电子与固体电子学院，四川成都 摘要 制备了缺铁、正分配和铁过量配方的镍锌功率铁氧体材料并分析了它们的损耗频率特性和损耗温度特性。发现该材料在 0.5MHz 以下的损耗机理主要是磁滞损耗，在 0.5MHz 以上主要是磁滞后效应损耗。当铁含量变化时，NiZn 铁氧体有不同的最小损耗温度。一般来说，正分配配方的最小损耗温度最高，缺铁配方次之，铁过量配方再次之，且其最小损耗温度最低。关键词 NiZn铁氧体 损耗频率特性 损耗温度特性 磁滞损耗 磁滞后效应损耗 中图分类号 TM277 文献标识码 A 文章号 1001-3830(2005)04-0029--pei,-wu,-bao,-,,,:,.
. -low0. -0. . . ,none,one. :;floss;;;引言电子设备小型化、轻量化、片式技术的发展对功率铁氧体提出了更高的要求，功率铁氧体不断向高频、低损耗、高电阻率方向发展。许多学者对MnZn铁氧体进行了研究，通过控制晶粒尺寸、提高晶界电阻率、降低磁晶各向异性以及严格控制氧空位和Fe2+的含量，可以获得高质量的MnZn铁氧体，满足应用的需要[1~6]。但与NiZn铁氧体相比，MnZn铁氧体在电阻率上并不占有优势，而当工作频率达到1MHz以上时，NiZn铁氧体则能发挥出更大的功率损耗优势[7]，因此有必要对功率NiZn铁氧体的高频特性进行研究。NiZn铁氧体材料的损耗特性与其成分密切相关。本文对NiZn铁氧体在缺铁、正铁、过铁情况下的损耗频率特性进行了研究和探讨。鉴于功率NiZn铁氧体在高频下会产生较大的温升，本文还对NiZn铁氧体的损耗温度特性进行了研究和探讨。2样品制备与试验选用Ni0。
43+xZn0.（x=0.0200.020.04）四种材料配方对应的样品依次记为ABCD。ABCD采用同一种球磨混合料预烧结二次球磨造粒成型烧结工艺制成环形磁芯，控制二次球磨后粒径在1μ左右，烧结后晶粒尺寸在5μ左右，相对密度在95%以上，电阻率在106以上。二次球磨材料粒径采用LA-920激光粉末粒度分析仪测试，晶粒尺寸采用SEM分析，相对密度采用MD-2磁芯密度自动测试仪测试，南京金宁金磁电子设备有限公司制造，初始磁导率采用综合LRC测试仪测试，按标准公式换算，直流电阻采用兆欧表测试，计算电阻率。损耗测试用SY-8232B-H分析仪，测试磁场强度用30T，试验过程中的温度控制采用 TTM-309高低温交变试验箱，试验绕组采用20匝Ø0.41mm铜线。3实验结果与分析表1为4个样品ABCD在10kHz和5MHz下的起始磁导率。从表1可以看出，当测试频率提高到5MHz时，4种材料的起始磁导率的下降幅度均保持在20%左右，并未达到其截止频率，保证下面的讨论是在允许的频率范围内。表1 Ni0.43+xZn0.材料x0的起始磁导率与损耗
02 0 0.02 0. 767.8 790.2 811.4 820.75MHz 627.3 615.2 650.2 656.2 Pcv/kW·m3 336 235 338 376 铁氧体磁芯的损耗Pcv由涡流损耗Pe、磁滞损耗Ph和剩余损耗Pr三部分组成，但在一定条件下，通常只有一个损耗占主导地位。表1还给出了100～150mT 50kHz条件下各试样的Pcv。可以看出，在较低的测试频率下，正铁配方试样的Pcv较低，而缺铁和铁过量配方试样的Pcv均大大提高，提高幅度在50%左右。这一现象可用NiZn铁氧体具有很高的电阻率，其涡流损耗在低频时特别小来解释，其损耗主要由Ph引起，这已被相关研究证实[7]。磁滞损耗与晶粒内的不均匀因素有关，如果铁氧体晶粒发生晶格畸变，势必引起晶场的波动，给畴壁的移动带来额外的阻力，导致磁滞损耗增大。由于非正分布配方是在正分布铁氧体的基础上，减少或增加铁含量，导致铁氧体晶格发生畸变，所以非正分布配方样品在低频时的损耗远高于正分布配方样品，铁含量越多，畸变越大，损耗也越大。图1为50 30mT条件下四种配方材料的损耗-频率特性，可以看出，当频率为0.
在5MHz时，四种配方样品的Pcv相近。随着频率的升高，铁配方样品在高频段逐渐显示出其优越性，当频率升高到4MHz时，铁配方样品的Pcv比缺铁配方和铁正配方样品要低30~40%。这一结果与MnZn铁氧体在高频下铁配方的损耗较大相反[8]。同时注意到，在高频下，x=0.2的样品损耗要小于x=0.4的样品损耗。如果假定涡流损耗在较高频率下起主要作用，则结论与MnZn铁氧体相同，但与实验事实不符。可以认为，由于NiZn铁氧体的电阻率特别高，即使在很高的频率下，涡流损耗在总损耗中所占的比例仍然比较低。同时考虑到NiZn铁氧体未达到谐振频率时，铁氧体的剩余损耗主要为磁滞损耗[9]。相关理论分析表明，铁氧体的磁滞效应主要由粒子空位扩散机制引起[9]。理论计算结果表明，后效应损耗的损耗角正切与粒子空位扩散弛豫时间与材料工作频率的乘积成正比[9]。随着应用频率的增加，铁氧体的磁滞损耗逐渐增大，直至成为损耗的主要部分。弛豫时间随粒子扩散势能呈指数增加，当铁氧体中Fe2+含量增加时，扩散势能减小[9]。过铁配方导致生成更多的Fe2+，因此，当磁滞效应为主要损耗时，能提供更多Fe2+的过铁配方，损耗较小。但需要注意的是，在相同的应用频率下，x=0。
配方04的样品的损耗比x=0的稍大，由配方02可以看出，在讨论的频带内，铁含量越多越好。这个结果可以归因于随着Fe2+含量的增加，涡流损耗也在增加，从而增加了总损耗。图2为样品ABC在不同频率下的损耗-温度特性曲线。从图2a可以看出，在各频率下，当温度达到100℃时，在相同条件下，样品A的损耗值最小。样品BC表现出相似的损耗谷值。所不同的是，样品B的谷值在120℃左右，样品C的谷值出现在75℃左右。考虑到NiZn铁氧体具有特别高的电阻率，在相当大的频率范围内，涡流损耗Pe占总损耗的比例很小，而磁滞损耗则不能忽略。和样品B相比，AC因偏离正分布公式而出现了晶格畸变，当温度升高时，AC样品的晶格畸变进行调整，导致AC样品提前100℃和75℃出现损耗谷值。考虑到尖晶石铁氧体中氧离子形成的间隙分为四面体型和八面体型，公式比正铁公式有更多的铁离子进入四面体间隙，缺铁公式比正铁公式有过多的铁离子进入八面体间隙，而八面体间隙比四面体间隙更大，因此有更多铁离子进入四面体间隙的公式比缺铁公式畸变更大。从上面分析的温度对晶格畸变的调整意义上讲，同一温度对公式的调整作用要大于对缺铁公式的调整作用，因此当i -200 X=0时公式比缺铁公式更早到达损失谷。
02 X=0 X=-0.02 X=-0.04 图1 Ni0.43+xZn0.样品的Pcv-f曲线f/MHz/kWm3 续第33页 磁性材料与器件 2005年8月 334 结论 采用共沉淀法制备了尖晶石纳米粒子。该纳米粒子具有超顺磁通量。