通讯变压器用高磁导率低损耗MnZn铁氧体TH10材料的开发

2019-11-03 08:59:50

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供稿：网友

范晶荣
　　
浙江天通电子股份有限公司，浙江　海宁 314412

　　
　　摘　要：介绍了一种μ_i=10000的高磁导率低损耗MnZn铁氧体TH10材料的性能特点及其烧结、掺杂技术。这种材料适用于低功率信号传输变压器（如ADSL变压器），可以降低变压器谐波失真，提高传输速率。
　　
　　关键词：MnZn铁氧体；烧结；掺杂；磁导率
　　
　　1 引言
　　
　　随着多媒体通信、数字通信网络的发展，通讯领域对铁氧体磁芯的需求量越来越大，给广大铁氧体厂商带来了更多的商机。同时，通讯器件对铁氧体材料的性能也提出了更高的要求。常见的通讯变压器如ADSL 变压器，通常使用高磁导率MnZn铁氧体磁芯（如EP系列），工作在较宽的频率范围，且要求输出信号谐波失真小、传输速率高，这就要求软磁铁氧体材料和磁芯必须具有良好的μ_i~f特性、低磁滞常数η_B或总谐波失真度THD。因此，低损耗高磁导率材料是近几年来国内外铁氧体厂家研究的热门课题。这类材料通常都提出了磁滞常数η_B的要求，如Epcos的T38，Nicera的10TB和台湾越峰的A101，其η_B分别为：0.3×10^－6/mT、0.12×10^－6/mT、1.4×10^－6/mT，近期TDK又推出了xDSL变压器专用铁氧体材料DN40和DN70。为适应市场需求，天通公司开发了低谐波失真通讯变压器专用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，由它制成的通讯变压器具有低的总谐波失真度和高的信号传输速率。
　　
　　2 实验方法
　　
　　采用宝刚铁红、金瑞科技四氧化三锰、上海京华氧化锌作原料。基本配方为：Fe₂0₃：52.0~52.8mol%，ZnO：21~22mol%，余下为MnO。按配方称量后混合均匀，在空气中950℃预烧2h，然后将预烧料与微量添加剂 CaC0₃、Bi₂O₃、Co₂O₃、TiO₂、V₂O₅等，按照料∶水∶球=1∶0.6∶5的比例进行砂磨；砂磨后烘干，将粉料过40目筛网并加入约10%的PVA溶液（溶度为10%）作粘合剂并造粒；然后压制成ø18×ø8×5mm的标准样环和EP13产品，在钟罩炉中采用平衡氧压烧结，终烧温度为1360℃。
　　
　　采用HP4284A和电热干燥箱测试品质因子Q和电感Ls，采用ATS-1音频测试仪测试EP13磁芯的总谐波失真度THD。相关公式如下：
　　

　　
　　其中：tg^δ1、tg^δ2分别为B=1.5mT和3.0mT下的损耗系数，ΔB＝3.0mT－1.5mT；L_s为电感（单位：nH），c₁为尺寸常数（单位：cm^－1），P_h为总谐波输出功率，V_h为谐波输出电压，P_f为基波输出功率，V_f为基波输出电压。THD的测试方法如图1。
　　

　　
　　3 实验结果与讨论
　　
　　3.1 材料磁性能
　　
　　我们知道，MnZn铁氧体通常采用氮窑气氛烧结，高磁导率材料的终烧温度一般在1400℃以上，个别超过1450℃，晶粒生长过大，产品性能难以提高。天通公司从2000年就引进国内外先进的钟罩炉烧结技术，利用钟罩炉我们已经大批量生产相当于PC44、PC50和=20000的产品。TH10材料及其产品充分利用钟罩炉烧结技术，大大降低终烧温度，缩短烧结时间，同时掺入微量改性添加剂，抑制晶粒生长过大，从而提高产品性能。图2给出了TH10材料的特征曲线，表1列出了TH10材料同国内外=10000材料的性能参数的比较。
　　

　　
　　3.2 材料的显微结构
　　
　　从表1可以看出TH10材料有较小的磁滞常数η_B。研究表明材料的磁滞常数η_B与晶粒结构有着密切的关系，一般来讲，粒径小而均匀可以获得较小的磁滞常数η_B和低的总谐波失真度THD。与普通氮窑产品相比，TH10材料的产品终烧温度低，具有中等大小均匀的晶粒，气孔小且分布于晶界交汇处，晶界清晰。图2是μ_i=10000的三种不同材料的显微结构。表2列出了这三种材质的EP13产品的性能参数。
　　

　　
　　显然，采用钟罩炉低温烧结技术烧结的磁芯具有良好的显微结构，磁芯性能也明显优于晶粒生长过大的产品。
　　
　　3.3 微量掺杂对材料性能的影响
　　
　　对国内大多数铁氧体生产厂家来说，生产μ_i=10000的高磁导率产品已不是难事了，少数几个厂家甚至可以生产μ_i＞15000的产品，例如，2002年东磁集团和天通公司先后鉴定了μ_i=18000和20000的高磁导率MnZn铁氧体材料。但是从市场占有的情况来看，一些低功率通讯变压器和高频应用领域的市场仍然被国外大公司占领。究其原因，一方面是由于国内厂家的生产加工设备落后，如镜面磨加工技术，国外先进水平可以使配对磁芯之间的有效气隙仅为0.8μm，而国内水平一般都在1.5μm左右；另一方面就是我们的材料水平还有待进一步提高。在过去的研究中，为了获得较高的磁导率，我们通常只在二次砂磨时掺入极少量添加剂（如Bi₂O₃、CaCO₃或其中的一种）以促进晶粒快速生长。这种材料容易获得较高的磁导率，缺点是其他性能难以同时提高。普通的μ_i=10000的材料其磁导率在100kHz时已经严重下降，而先进材料μ_i（200kHz）≥80%μ_i（10kHz）。要降低材料的磁滞常数η_B和改善μ_i~f特性，以获得宽频低损耗材料，就必须在材料中加入适量的改性杂质，如V₂O₅、TiO₂等。图4是η_B与TiO₂掺入量的关系。TiO₂的加入可提高材料的电阻率，降低涡流损耗，同时使磁晶各向异性常数K₁→0，降低磁滞损耗。图5给出了未添加V₂O₅与添加0.03wt% V₂O₅的μ_i~f特性。V₂O₅的加入明显降低了磁导率，而材料的频率特性得到改善，这是因为V₂O₅可抑制晶粒的生长，细化晶粒，改善材料的显微结构。
　　