国内MHz高频低损耗铁氧体软磁材料研究进展

【哔哥哔特导读】目前国内MHz高频低损耗铁氧体软磁材料开发进展如何？主要面临哪些挑战？其损耗大致在什么水平？离大规模量产还有多大距离？

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。

接下来的两期市场解读，我们将通过铁氧体软磁材料（占比约67%）和金属软磁材料（占比约30%）这两种主流软磁材料，介绍目前国内高频低损耗软磁材料的研究进展。

第三代半导体材料将功率电子频率推高至MHz

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。

高损耗是限制锰锌铁氧体高频应用的主要障碍

目前锰锌系铁氧体软磁材料是铁氧体软磁材料中占比最高的。对于锰锌铁氧体软磁材料而言，损耗由磁滞损耗、涡流损耗和剩余损耗三部分组成。

在低频情况下，比如说MHz以下，剩余损耗其实是可以忽略不计的，主要是涡流损耗和磁滞损耗；

但是在高频情况下的话，剩余损耗是急剧增加的，这导致功率器件的过度发热和能效的降低，剩余损耗就必须要考虑了，需要同时降低磁滞损耗、涡流损耗和剩余损耗，高频下损耗急剧增加是限制锰锌铁氧体软磁材料高频应用的主要障碍。

加上应用场景温度的多样性，亟需开发开发具有良好宽温特性的高频低损耗铁氧体软磁材料。

软磁材料损耗与频率

开发高频低损耗锰锌铁氧体软磁材料的方法

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。

锰锌铁氧体中的应力效应

在实际应用过程中，锰锌铁氧体软磁材料会经历各种应力，如烧结过程产生的残余应力，绕线、封装、组装过程经历的外应力，以及封装材料与磁芯材料膨胀系数不同而产生的应力，这些应力通常会降低铁氧体软磁材料的起始磁导率。

这些应力还会使锰锌铁氧体软磁材料的功率损耗有所增加，在低频下, 应力对损耗的影响不是很大；在高频下, 应力对损耗的影响更显著：

低频下（100 kHz）磁滞损耗占主导，高频下涡流损耗和剩余损耗逐渐起更重要作用；磁滞损耗、涡流损耗、剩余损耗都随应力增强而增加。

磁滞损耗增加的原因：外加应力导致内部局域各向异性应力，使磁畴转动和畴壁位移更加困难。

在应力的作用下，剩余损耗随频率的升高会更加快速地增加，畴壁共振和自然共振频率都降低，导致截止频率降低，因此剩余损耗增加。

结语

应耀副教授团队探讨了Co离子掺杂和晶界添加剂降低高频损耗的作用机制，通过Co离子掺杂和晶界添加剂Ta2O5和YIG的添加，研究和开发了可应用于MHz频段的高频宽温低损耗锰锌铁氧体。

并应力影响高频损耗的作用机制：应力的施加使材料的损耗增加，特别高频下功率损耗的增加更加显著。

下一期，我们将介绍金属软磁粉芯面临的威廉希尔官方网站 挑战与研究进展。

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