通訊變壓器用高磁導(dǎo)率低損耗MnZn鐵氧體TH10材料的開發(fā)

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μi=10000的高磁導(dǎo)率低損耗MnZn鐵氧體TH10材料的性能特點及其燒結(jié)、摻雜技術(shù)。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(guān)鍵詞：MnZn鐵氧體；燒結(jié)；摻雜；磁導(dǎo)率

　　1 引言

　　隨著多媒體通信、數(shù)字通信網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，通訊領(lǐng)域?qū)﹁F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(dǎo)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μi~f特性、低磁滯常數(shù)ηB或總諧波失真度THD。因此，低損耗高磁導(dǎo)率材料是近幾年來國內(nèi)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(shù)ηB的要求，如Epcos的T38，Nicera的10TB和臺灣越峰的A101，其ηB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(yīng)市場需求，天通公司開發(fā)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μi=10000，ηB＜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�；�本配方為：Fe203：52.0~52.8mol%，ZnO：21~22mol%，余下為MnO。按配方稱量后混合均勻，在空氣中950℃預(yù)燒2h，然后將預(yù)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(wǎng)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(biāo)準(zhǔn)樣環(huán)和EP13產(chǎn)品，在鐘罩爐中采用平衡氧壓燒結(jié)，終燒溫度為1360℃。

　　采用HP4284A和電熱干燥箱測試品質(zhì)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(guān)公式如下：

　　其中：tgδ1、tgδ2分別為B=1.5mT和3.0mT下的損耗系數(shù)，ΔB＝3.0mT－1.5mT；Ls為電感（單位：nH），c1為尺寸常數(shù)（單位：cm－1），Ph為總諧波輸出功率，Vh為諧波輸出電壓，Pf為基波輸出功率，Vf為基波輸出電壓。THD的測試方法如圖1。

　　3 實驗結(jié)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(jié)，高磁導(dǎo)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(chǎn)品性能難以提高。天通公司從2000年就引進國內(nèi)外先進的鐘罩爐燒結(jié)技術(shù)，利用鐘罩爐我們已經(jīng)大批量生產(chǎn)相當(dāng)于PC44、PC50和=20000的產(chǎn)品。TH10材料及其產(chǎn)品充分利用鐘罩爐燒結(jié)技術(shù)，大大降低終燒溫度，縮短燒結(jié)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(chǎn)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(nèi)外=10000材料的性能參數(shù)的比較。

　　3.2 材料的顯微結(jié)構(gòu)

　　從表1可以看出TH10材料有較小的磁滯常數(shù)ηB。研究表明材料的磁滯常數(shù)ηB與晶粒結(jié)構(gòu)有著密切的關(guān)系，一般來講，粒徑小而均勻可以獲得較小的磁滯常數(shù)ηB和低的總諧波失真度THD。與普通氮窯產(chǎn)品相比，TH10材料的產(chǎn)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μi=10000的三種不同材料的顯微結(jié)構(gòu)。表2列出了這三種材質(zhì)的EP13產(chǎn)品的性能參數(shù)。

　　顯然，采用鐘罩爐低溫?zé)�結(jié)技術(shù)燒結(jié)的磁芯具有良好的顯微結(jié)構(gòu)，磁芯性能也明顯優(yōu)于晶粒生長過大的產(chǎn)品。

　　3.3 微量摻雜對材料性能的影響

　　對國內(nèi)大多數(shù)鐵氧體生產(chǎn)廠家來說，生產(chǎn)μi=10000的高磁導(dǎo)率產(chǎn)品已不是難事了，少數(shù)幾個廠家甚至可以生產(chǎn)μi＞15000的產(chǎn)品，例如，2002年東磁集團和天通公司先后鑒定了μi=18000和20000的高磁導(dǎo)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(yīng)用領(lǐng)域的市場仍然被國外大公司占領(lǐng)。究其原因，一方面是由于國內(nèi)廠家的生產(chǎn)加工設(shè)備落后，如鏡面磨加工技術(shù)，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(nèi)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(dǎo)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�長。這種材料容易獲得較高的磁導(dǎo)率，缺點是其他性能難以同時提高。普通的μi=10000的材料其磁導(dǎo)率在100kHz時已經(jīng)嚴重下降，而先進材料μi（200kHz）≥80%μi（10kHz）。要降低材料的磁滯常數(shù)ηB和改善μi~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(zhì)，如V2O5、TiO2等。圖4是ηB與TiO2摻入量的關(guān)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(shù)K1→0，降低磁滯損耗。圖5給出了未添加V2O5與添加0.03wt% V2O5的μi~f特性。V2O5的加入明顯降低了磁導(dǎo)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(jié)構(gòu)。

　　4 結(jié)論

　　制備高磁導(dǎo)率低損耗MnZn鐵氧體TH10材料關(guān)鍵是降低材料的磁滯常數(shù)ηB、改善μi~f特性，工藝上通過鐘罩爐燒結(jié)將終燒溫度降低到1360℃及摻入適量的改性雜質(zhì)（如Bi2O3、Ca03、V2O5、TiO2），獲得了滿意的效果。

摘自　北極星