20世紀(jì)60年代是軟磁鐵氧體
磁性材料發(fā)展歷程中重要的時(shí)間。1960年開始對MnZn鐵氧體的生成氣氛進(jìn)行研究,對控制Fe2+濃度、Mn離子的變價(jià)起著重要的作用,從而為制備高質(zhì)量MnZn鐵氧體鋪平了道路。
在七十年代初TDK、FDK、飛利浦等相繼開發(fā)出了第一代功率鐵氧體
磁性材料H35/H45/3C81,這些
磁性材料雖然還存在不少缺陷,功耗也還較高,但為工作在20kHz左右的開關(guān)電源諸如彩電行輸出變壓器、開關(guān)電源變壓器等提供了基礎(chǔ)條件,使得電子裝備拋掉了傳統(tǒng)笨重、輸出不昜穩(wěn)定的模擬電源,從而實(shí)現(xiàn)了電子裝備電源的革命性進(jìn)步。
由于第一代
磁性材料的功耗較大,只能用在中心工作頻率為20kHz左右的開關(guān)電源中。TDK于八十年代初開發(fā)出了H7C1(PC30)材質(zhì),不僅將中心工作頻率提高到了100kHz左右,大大提高了開關(guān)電源的使用頻率,減小了開關(guān)電源的體積,同時(shí)這種磁性材料功耗隨著器件溫度的升高,功耗呈現(xiàn)下降趨勢,在器件溫度達(dá)100℃左右時(shí)損耗達(dá)最低,也即目前眾所周知的功耗溫度系數(shù)在一定溫度范圍內(nèi)呈負(fù)相關(guān)特性。這是鐵氧體功率磁性材料的又一開創(chuàng)性發(fā)展,在100℃或120℃以下的功耗-溫度負(fù)相關(guān)特性不僅適應(yīng)開關(guān)電源的工作狀態(tài)、保持器件較低的功耗,同時(shí)使整個(gè)器件在較低的功耗下達(dá)到熱平衡,提高了整個(gè)部件的可靠性。同一時(shí)期FDK開發(fā)出H63B(6H10),西門子開發(fā)出N27等同等磁性材料,為同一時(shí)期蓬勃發(fā)展的IC相關(guān)產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展提供了基礎(chǔ)。
八十年代中后期,電子產(chǎn)品小型化、輕量化、薄型化、高效化的發(fā)展要求更加迫切,筆記本電腦等辦公設(shè)備的普及速度日益加快,提高電源效率的要求再次催生新一代功率磁性材料。第三代功率磁性材料(PC40/6H20/N67/3F3等)問世,在將開關(guān)電源頻率提高到100kHz,同時(shí)還大大降低了磁性材料的功耗,提高開關(guān)電源的效率。
進(jìn)入九十年代末二十一世紀(jì)初,TDK、FDK等公司又相繼開發(fā)成功了具有超低損耗的功率鐵氧體磁性材料PC47/6H45等,其在100kHz、200mT、100℃條件下的功耗水平達(dá)到250kW/m3左右,并成功地進(jìn)行了批量生產(chǎn)。九十年代器件小型化、輕量化、薄型化、高效化的發(fā)展趨勢有增無減,開關(guān)電源的工作頻率直指500kHz,為更小體積的發(fā)展提供保證。TDK、FDK、飛利浦、西門子等開發(fā)的第四代功率鐵氧體磁性材料PC50/7H10/3F35/N49等,中心工作頻率可達(dá)500kHz以上,滿足了開關(guān)電源進(jìn)一步對輕、小、薄的需要,這一發(fā)展方向進(jìn)入新世紀(jì)以來繼續(xù)快速發(fā)展,國外幾大著名公司所推出的改進(jìn)型磁性材料可用于1MHz至3MHz的場合。
隨著鐵氧體功率
磁性材料應(yīng)用于汽車工業(yè)的快速發(fā)展,要求大量高溫下具有高飽和磁通密度的功率鐵氧體,用于小型緊湊的各種功能的變壓器,同時(shí)在高溫狀態(tài)下能夠正常工作,諸如鄰近馬達(dá)或其它高溫條件下的車載設(shè)備,如汽車的前照明大燈的變壓器等,要求高溫下功率轉(zhuǎn)換的高效率。
2003年3月FDK開發(fā)出4H45磁性材料,該磁性材料在100℃條件下飽和磁通密度Bs為450mT,其后相繼開發(fā)成功4H47磁性材料,飽和磁通密度Bs為470mT。這個(gè)突破使功率轉(zhuǎn)換效率明顯提高,也使得FDK的高Bs磁性材料達(dá)到國際領(lǐng)先水平,JSF己經(jīng)開始量產(chǎn)。
2004年9月TDK推出PC90磁性材料,在100℃條件下Bs為450mT,與4H45相當(dāng),但其時(shí)功耗為320kW/m3比4H45低20%,接近PC44水平。這些突破性的進(jìn)展推動了鐵氧體業(yè)界新一輪發(fā)展的熱潮。
而隨著環(huán)境問題越來越引起世人的注目,EV(電動汽車)、HEV(混合動力汽車)、FCEV(燃料電池汽車)等低燃耗汽車得到迅猛發(fā)展。眾所周知,汽車對其各系統(tǒng)組成部分適應(yīng)溫度的能力有非??量痰囊螅囟瓤缍却螅?,而作為新型混合動力汽車動力系統(tǒng)樞紐的DC-DC轉(zhuǎn)換器則更必須適應(yīng)大范圍的溫度變化,這就需要其主要部品的鐵氧體磁性材料具有非常寬的溫度適應(yīng)性。雖然磁性材料進(jìn)步而致使功耗波谷點(diǎn)的功耗已從最早的600降至410,300,甚至250左右,但在室溫延伸的較寬溫度范圍內(nèi)幾代磁性材料的功耗均處于較高的水平,這引導(dǎo)業(yè)內(nèi)許多公司開發(fā)從室溫起延伸至100℃左右均具有較低功耗特性的磁性材料,如TDK開發(fā)寬溫低功耗磁性材料PC95。
隨著應(yīng)用領(lǐng)域的拓展和磁性材料開發(fā)的深化,在IT產(chǎn)業(yè)、電力電子,特別是網(wǎng)絡(luò)通信等用戶的苛求下,為保證設(shè)備系統(tǒng)穩(wěn)定、可靠、高效運(yùn)行,一種求新、求全的理念已經(jīng)逐步主導(dǎo)著錳鋅鐵氧體軟磁磁性材料的研發(fā)方向,不少多種特性兼?zhèn)涞男麓判圆牧舷群笸葡蚴袌?。這些磁性材料具有更高的飽和磁通密度Bs,更好的直流偏置特性DC-Bias,更低的損耗(低磁通密度下的損耗因子tgδ/μ、高磁通密度下的功耗Pc),更低的總諧波失真系數(shù)(THD),更寬的使用頻率和更廣的溫度范圍等綜合性能。即所謂兩寬(寬溫,寬頻)、兩高(高Bs,高DC-Bias)、兩低(低損耗,低失真)兼具的特點(diǎn)。目前,錳鋅鐵氧體磁性材料的研究已經(jīng)到了低溫、高溫和更寬與更高頻段領(lǐng)域。