通訊變壓器用高磁導率低損耗MnZn鐵氧體TH10材料的開發

2019-11-03 08:59:50

字體：大中小

來源：轉載

供稿：網友

范晶榮
　　
浙江天通電子股份有限公司，浙江　海寧 314412

　　
　　摘　要：介紹了一種μ_i=10000的高磁導率低損耗MnZn鐵氧體TH10材料的性能特點及其燒結、摻雜技術。這種材料適用于低功率信號傳輸變壓器（如ADSL變壓器），可以降低變壓器諧波失真，提高傳輸速率。
　　
　　關鍵詞：MnZn鐵氧體；燒結；摻雜；磁導率
　　
　　1 引言
　　
　　隨著多媒體通信、數字通信網絡的發展，通訊領域對鐵氧體磁芯的需求量越來越大，給廣大鐵氧體廠商帶來了更多的商機。同時，通訊器件對鐵氧體材料的性能也提出了更高的要求。常見的通訊變壓器如ADSL 變壓器，通常使用高磁導率MnZn鐵氧體磁芯（如EP系列），工作在較寬的頻率范圍，且要求輸出信號諧波失真小、傳輸速率高，這就要求軟磁鐵氧體材料和磁芯必須具有良好的μ_i~f特性、低磁滯常數η_B或總諧波失真度THD。因此，低損耗高磁導率材料是近幾年來國內外鐵氧體廠家研究的熱門課題。這類材料通常都提出了磁滯常數η_B的要求，如Epcos的T38，Nicera的10TB和臺灣越峰的A101，其η_B分別為：0.3×10^－6/mT、0.12×10^－6/mT、1.4×10^－6/mT，近期TDK又推出了xDSL變壓器專用鐵氧體材料DN40和DN70。為適應市場需求，天通公司開發了低諧波失真通訊變壓器專用TH系列材料。TH10材料是TH系列材料之一，其μ_i=10000，η_B＜0.3×10^－6/mT，由它制成的通訊變壓器具有低的總諧波失真度和高的信號傳輸速率。
　　
　　2 實驗方法
　　
　　采用寶剛鐵紅、金瑞科技四氧化三錳、上海京華氧化鋅作原料?；九浞綖椋篎e₂0₃：52.0~52.8mol%，ZnO：21~22mol%，余下為MnO。按配方稱量后混合均勻，在空氣中950℃預燒2h，然后將預燒料與微量添加劑 CaC0₃、Bi₂O₃、Co₂O₃、TiO₂、V₂O₅等，按照料∶水∶球=1∶0.6∶5的比例進行砂磨；砂磨后烘干，將粉料過40目篩網并加入約10%的PVA溶液（溶度為10%）作粘合劑并造粒；然后壓制成ø18×ø8×5mm的標準樣環和EP13產品，在鐘罩爐中采用平衡氧壓燒結，終燒溫度為1360℃。
　　
　　采用HP4284A和電熱干燥箱測試品質因子Q和電感Ls，采用ATS-1音頻測試儀測試EP13磁芯的總諧波失真度THD。相關公式如下：
　　

　　
　　其中：tg^δ1、tg^δ2分別為B=1.5mT和3.0mT下的損耗系數，ΔB＝3.0mT－1.5mT；L_s為電感（單位：nH），c₁為尺寸常數（單位：cm^－1），P_h為總諧波輸出功率，V_h為諧波輸出電壓，P_f為基波輸出功率，V_f為基波輸出電壓。THD的測試方法如圖1。
　　

　　
　　3 實驗結果與討論
　　
　　3.1 材料磁性能
　　
　　我們知道，MnZn鐵氧體通常采用氮窯氣氛燒結，高磁導率材料的終燒溫度一般在1400℃以上，個別超過1450℃，晶粒生長過大，產品性能難以提高。天通公司從2000年就引進國內外先進的鐘罩爐燒結技術，利用鐘罩爐我們已經大批量生產相當于PC44、PC50和=20000的產品。TH10材料及其產品充分利用鐘罩爐燒結技術，大大降低終燒溫度，縮短燒結時間，同時摻入微量改性添加劑，抑制晶粒生長過大，從而提高產品性能。圖2給出了TH10材料的特征曲線，表1列出了TH10材料同國內外=10000材料的性能參數的比較。
　　

　　
　　3.2 材料的顯微結構
　　
　　從表1可以看出TH10材料有較小的磁滯常數η_B。研究表明材料的磁滯常數η_B與晶粒結構有著密切的關系，一般來講，粒徑小而均勻可以獲得較小的磁滯常數η_B和低的總諧波失真度THD。與普通氮窯產品相比，TH10材料的產品終燒溫度低，具有中等大小均勻的晶粒，氣孔小且分布于晶界交匯處，晶界清晰。圖2是μ_i=10000的三種不同材料的顯微結構。表2列出了這三種材質的EP13產品的性能參數。
　　

　　
　　顯然，采用鐘罩爐低溫燒結技術燒結的磁芯具有良好的顯微結構，磁芯性能也明顯優于晶粒生長過大的產品。
　　
　　3.3 微量摻雜對材料性能的影響
　　
　　對國內大多數鐵氧體生產廠家來說，生產μ_i=10000的高磁導率產品已不是難事了，少數幾個廠家甚至可以生產μ_i＞15000的產品，例如，2002年東磁集團和天通公司先后鑒定了μ_i=18000和20000的高磁導率MnZn鐵氧體材料。但是從市場占有的情況來看，一些低功率通訊變壓器和高頻應用領域的市場仍然被國外大公司占領。究其原因，一方面是由于國內廠家的生產加工設備落后，如鏡面磨加工技術，國外先進水平可以使配對磁芯之間的有效氣隙僅為0.8μm，而國內水平一般都在1.5μm左右；另一方面就是我們的材料水平還有待進一步提高。在過去的研究中，為了獲得較高的磁導率，我們通常只在二次砂磨時摻入極少量添加劑（如Bi₂O₃、CaCO₃或其中的一種）以促進晶?？焖偕L。這種材料容易獲得較高的磁導率，缺點是其他性能難以同時提高。普通的μ_i=10000的材料其磁導率在100kHz時已經嚴重下降，而先進材料μ_i（200kHz）≥80%μ_i（10kHz）。要降低材料的磁滯常數η_B和改善μ_i~f特性，以獲得寬頻低損耗材料，就必須在材料中加入適量的改性雜質，如V₂O₅、TiO₂等。圖4是η_B與TiO₂摻入量的關系。TiO₂的加入可提高材料的電阻率，降低渦流損耗，同時使磁晶各向異性常數K₁→0，降低磁滯損耗。圖5給出了未添加V₂O₅與添加0.03wt% V₂O₅的μ_i~f特性。V₂O₅的加入明顯降低了磁導率，而材料的頻率特性得到改善，這是因為V₂O₅可抑制晶粒的生長，細化晶粒，改善材料的顯微結構。
　　