宽温低损耗MnZn系功率铁氧体及其应用的研究

摘要

开关电源向小型轻量化、高效平面化和高可靠性方向的发展，要求应用于其中的MnZn功率铁氧体材料具有宽温低损耗特性。本论文以此为研究目标，开展了宽温低损耗MnZn系功率铁氧体材料及其应用的研究．通过MnTiZn、MnSnZn四元系和MnCoTiZn、MnTiSnZn五元系配方体系、添加剂技术及制备工艺技术的研究，从中探索制备具有宽温低损耗特征的MnZn系功率铁氧体的有效途径；并通过曲线拟合，明确了宽温低损耗MnZn铁氧体改进型Steinmetz系数和指数；最后基于研究得到的材料进行了开关电源变压器的应用研究。
　　 针对配方体系的研究表明：在MnZn功率铁氧体的主配方中适量加入TiO2构成MnTiZn四元系铁氧体，能改善材料的微观结构，提高起始磁导率μi、密度d、电阻率p，并降低损耗Pcv，由于Ti离子的加入，占据八面体B位，会使B位中部分磁性离子移到四面体A位，使发生A-B间超交换作用的离子对数目增多，增强了A-B超交换作用，因而可提高MnZn功率铁氧体的居里温度；在MnZn功率铁氧体的主配方中加入SnO2构成MnSnZn四元系铁氧体，可显著影响MnZn铁氧体的起始磁导率、总损耗的温度特性，可使μi～T曲线Ⅱ峰移向低温，损耗最低点温度也逐渐降低，当加入0.2mol％时，MnSnZn铁氧体具有较小的总损耗并且补偿点温度约在80℃。
　　 在MnZn铁氧体主配方中同时加入Ti4+、Sn4+，构成五元系MnTiSnZn铁氧体，可显著改善功率铁氧体的磁性能及温度稳定性，除了补偿磁晶各向异性常数k1外，TiSn联合取代具有交互作用，低熔点的SnO2在烧结过程中形成液相烧结，促进晶粒生长，而部分较高熔点的TiO2偏析于晶界阻止晶粒异常长大，因而烧结体微观结构均匀致密，当TiO和SnO2取代量分别为0.2mol％和0.1mol％时，起始磁导率μ和密度d达到最大值，损耗Pcv、剩余磁感应强度研、矫顽力Hc达到最小值；在MnZn铁氧体主配方中同时加入TiO2、Co2O3构成MnCoTiZn五元系铁氧体，可显著改善磁性能及温度稳定性，并且CoTi联合取代亦具有交互作用，可在宽温范围内降低磁晶各向异性常数Ki值，降低材料的损耗Pcv，当取代量分别为TiO20.1mo1％ Co2O30.05mol％时铁氧体在20～140℃内获得最高的温度稳定性。
　　 在配方体系研究的基础上，开展了添加剂技术的研究，结果表明：适量加入Ta2O5，可使MnCoTiZn功率铁氧体材料平均晶粒尺寸变大，晶粒尺寸分布均匀，改善铁氧体的微观结构，提高MnZn系功率铁氧体起始磁导率、降低铁氧体损耗，并且可改善铁氧体的温度稳定性，Ta2O5的添加量为0.06wt％时，起始磁导率达到最大值，总损耗、磁滞损耗和涡流损耗达到最小值；Nb2O5的适量添加可使MnCoTiZn功率铁氧体晶粒均匀致密，降低气孔率，提高材料的起始磁导率、降低材料的损耗，Nb2O5的添加量为0.06wt％时，起始磁导率达到最大值，磁滞损耗和涡流损耗达到最小值；适量的加入ZrO2添加剂可改善MnCoTiZn铁氧体的微观结构，提高材料的起始磁导率，降低铁氧体损耗，当ZrO2的添加量为0.02wt％时，起始磁导率达到最大值，总损耗、磁滞损耗和涡流损耗达到最小值。
　　 工艺技术的研究表明：预烧对MnZn系功率铁氧体的微观结构和磁性能有很大影响，预烧温度不同，粉体活性和粒度不同，进而影响烧结体电磁性能；二次球磨时间不同，粉体的粒度和活性也不同，适当的二次球磨时间，可控制粉体活性和粒度达到最佳，使烧结过程中晶粒均匀生长，减少烧结过程中铁氧体的异常晶粒长大，降低气孔率，提高密度，从而提高MnZn系功率铁氧体的磁性能，当二次球磨时间为2小时时，MnZn系功率铁氧体的起始磁导率达到最大值，且在25～120℃宽温范围内具有超低的损耗：384kw·m-3(25℃)、293kw·m-3(80℃)、430kw·m-3(120℃)。在烧结过程中，既要适当提高烧结温度，促进铁氧体固相反应完全，铁氧体的晶粒充分均匀长大，又要控制烧结温度不能过高，以免造成晶粒出现不连续生长，降低铁氧体材料的磁性能，烧结温度适当时，晶粒趋于均匀，烧结密度较高，磁导率较大，Fe2+含量较低，电阻率较大，涡流损耗较低，对于本文中的配方，适宜的烧结温度为1350℃。
　　 在上述针对功率铁氧体开展研究的基础上，对实验样品分别在不同频率f(Hz)、不同磁感应强度B(T)和不同温度T(℃）下进行测试，结果表明，随着频率升高，损耗最低点温度向低温移动，温度稳定性变高；最后借助ANSYS仿真及Matlab数值拟合，通过热设计，基于所研制的功率铁氧体磁心进行了小功率开关电源变压器的设计和研制，电源效率＞85％。

目录

文摘

英文文摘

第一章 绪论

1.1 引言

1.2 MnZn系功率铁氧体发展历程和国内外研究进展

1.2.1 MnZn系功率铁氧体发展历程

1.2.2 MnZn系功率铁氧体国内外研究状况

1.3 课题研究的意义

1.4 主要内容及论文结构安排

第二章 宽温低损耗MnZn系功率铁氧体研制方案

2.1 研制方案

2.1.1 宽温低损耗MnZn系功率铁氧体的配方体系

2.1.2 宽温低损耗MnZn系功率铁氧体的添加剂技术

2.1.3 宽温低损耗MnZn系功率铁氧体的工艺技术

2.2 工艺流程

2.3 分析表征

第三章 MnTiZn和MnSnZn四元系功率铁氧体材料研究

3.1 引言

3.2 MnTiZn四元系功率铁氧体材料研究

3.2.1 MnTiZn功率铁氧体材料的穆斯堡尔谱

3.2.2 MnTiZn功率铁氧体材料的微观结构

3.2.3 MnTiZn功率铁氧体材料的起始磁导率

3.2.4 MnTiZn功率铁氧体材料的电阻率和损耗

3.2.5 MnTiZn功率铁氧体材料的居里温度

3.3 MnSnZn四元系功率铁氧体材料研究

3.3.1 MnSnZn功率铁氧体材料的微观结构

3.3.2 MnSnZn功率铁氧体材料的起始磁导率

3.3.3 MnSnZn功率铁氧体材料的损耗

3.4 本章小结

第四章 MnTiSnZn和MnCoTiZn五元系功率铁氧体材料研究

4.1 引言

4.2 MnTiSnZn五元系功率铁氧体材料研究

4.2.1 MnTiSnZn功率铁氧体材料的微结构

4.2.2 MnTiSnZn功率铁氧体材料的晶相结构

4.2.3 MnTiSnZn功率铁氧体材料的磁性能

4.3 MnCoTiZn五元系功率铁氧体材料研究

4.3.1 MnCoTiZn功率铁氧体材料的室温磁性能

4.3.2 MnCoTiZn功率铁氧体材料的温度特性

4.4 本章小结

第五章 宽温低损耗MnCoTiZn功率铁氧体材料添加剂技术研究

5.1 引言

5.2 Ta2O5对MnCoTiZn功率铁氧体性能的影响

5.2.1 Ta2O5对微结构的影响

5.2.2 Ta2O5对晶相结构的影响

5.2.3 Ta2O5对磁性能的影响

5.3 Nb2O5对MnCoTiZn功率铁氧体性能的影响

5.3.1 Nb2O5对微结构的影响

5.3.2 Nb2O5对晶相结构的影响

5.3.3 Nb2O5对磁性能的影响

5.4 ZrO2对MnCoTiZn功率铁氧体性能的影响

5.4.1 ZrO2对微结构的影响

5.4.2 ZrO2对晶相结构的影响

5.4.3 ZO2对磁性能的影响

5.5 本章小结

第六章 宽温低损耗MnZn系功率铁氧体材料工艺技术研究

6.1 引言

6.2 预烧温度的研究

6.2.1 预烧温度对预烧粉料活性的影响

6.2.2 预烧温度对烧结样品微观结构的影响

6.2.3 预烧温度对MnZn功率铁氧体磁性能的影响

6.3 二次球磨时间的研究

6.3.1 二次球磨时间对粉体粒度的影响

6.3.2 二次球磨时间对微观结构的影响

6.3.3 二次球磨时间对功率铁氧体磁性能的影响

6.4 烧结温度研究

6.4.1 烧结温度对功率铁氧体微结构的影响

6.4.2 烧结温度对功率铁氧体磁性能的影响

6.5 本章小结

第七章 宽温低损耗MnCoTiZn功率铁氧体应用研究

7.1 引言

7.2 开关电源变压器的原理及组成

7.2.1 开关电源的构成及分类

7.2.2 开关电源变压器的工作原理

7.2.3 开关电源变压器的磁心和绕组分析

7.3 开关电源变压器的优化设计

7.3.1 开关电源变压器的损耗与温升

7.3.2 开关电源变压器的热分析

7.3.3 开关电源变压器的热设计

7.4 开关电源变压器的研制与应用

7.4.1 设计参数及制备工艺

7.4.2 测试结果分析

7.5 本章小结

第八章 结论

8.1 主要结论

8.2 主要创新点

致谢

参考文献

攻博期间取得的研究成果