【嗶哥嗶特導讀】目前國內MHz高頻低損耗鐵氧體軟磁材料開發進展如何？主要面臨哪些挑戰？其損耗大致在什么水平？離大規模量產還有多大距離？

隨著電子產品應用頻率不斷提高，電子變壓器、電感的工作頻率已逐漸滯后于半導體器件的發展，成為阻礙電子產品高頻化的障礙，其中最大的原因就在于軟磁材料的工作頻率始終無法提高。

接下來的兩期市場解讀，我們將通過鐵氧體軟磁材料（占比約67%）和金屬軟磁材料（占比約30%）這兩種主流軟磁材料，介紹目前國內高頻低損耗軟磁材料的研究進展。

第三代半導體材料將功率電子頻率推高至MHz

近年來，高功率密度車載充電系統和大型數據中心的電壓調節系統的應用，對功率電子提出了更高的功率密度、更高的頻率、更小的體積和更高的效率等多方面要求。

這些發展方向對配套的軟磁材料提出了相應的要求：

大功率：軟磁材料需要具有良好的抗飽和能力，以及高的直流偏置性能，以滿足大功率應用的需求；

高頻化：為了減少渦流損耗，軟磁材料需要具有高電阻率，以降低渦流的影響；

小型化：為了提高單位體積內的原子磁矩，軟磁材料需要有高的飽和磁密，以便在更小的空間內實現更高的磁場強度；

高效率：低損耗是實現高效率的關鍵，因此軟磁材料需要設計成能夠最小化能量損失。

尤其是第三代半導體材料碳化硅、氮化鎵的普及應用，讓功率電子有望達到更高的MHz工作頻率。但目前不管是鐵氧體軟磁材料還是金屬軟磁粉芯，其應用于開關電源的工作頻率普遍不超過300kHz，迫切需要磁性元件行業提供可匹配第三代半導體MHz頻段的高頻軟磁材料。

高損耗是限制錳鋅鐵氧體高頻應用的主要障礙

目前錳鋅系鐵氧體軟磁材料是鐵氧體軟磁材料中占比最高的。對于錳鋅鐵氧體軟磁材料而言，損耗由磁滯損耗、渦流損耗和剩余損耗三部分組成。

在低頻情況下，比如說MHz以下，剩余損耗其實是可以忽略不計的，主要是渦流損耗和磁滯損耗；

但是在高頻情況下的話，剩余損耗是急劇增加的，這導致功率器件的過度發熱和能效的降低，剩余損耗就必須要考慮了，需要同時降低磁滯損耗、渦流損耗和剩余損耗，高頻下損耗急劇增加是限制錳鋅鐵氧體軟磁材料高頻應用的主要障礙。

加上應用場景溫度的多樣性，亟需開發開發具有良好寬溫特性的高頻低損耗鐵氧體軟磁材料。

軟磁材料損耗與頻率

開發高頻低損耗錳鋅鐵氧體軟磁材料的方法

浙江工業大學磁電功能材料研究所應耀副教授提到，其研究主要從主配方、添加劑和燒結工藝三個方面去改善錳鋅鐵氧體軟磁材料的高頻損耗問題。

主配方：Co離子摻雜

一方面，Co離子摻雜形成了兩個K1=0的溫度點，既可降低磁滯損耗，良好的損耗寬溫穩定性；

另一方面，Co離子摻雜提高了截止頻率，降低了高頻下的剩余損耗；

通過Co離子的摻雜和優化，獲得了高頻寬溫低損耗錳鋅鐵氧體軟磁材料：

最佳樣品在0-140?C溫度范圍， 損耗低于150 kW/m3(1MHz/50mT)，50 kW/m3 (3MHz/10mT)。

添加劑：Ta2O5的添加

通過對損耗的分離會發現：2MHz以下， 損耗是由磁滯損耗和渦流損耗決定；2MHz以上，剩余損耗快速增加。

鐵氧體軟磁材料在高溫下損耗的升高來源于渦流損耗的升高，適量添加Ta2O5，提高了晶粒電阻Rg和晶界電阻Rgb，極大地抑制了鐵氧體軟磁材料高溫下的渦流損耗。

實驗結果表明：

Ta2O5添加可以降低錳鋅鐵氧體軟磁材料MHz高頻下的損耗，特別是高溫下損耗的降低更加明顯；

添加適量 Ta2O5的鐵氧體軟磁材料在25–140?C溫度范圍內保持低損耗。

根據相關實驗結果，應教授團隊還對傳統損耗分離公式進行了修正，得到了高頻下的損耗分離公式：

軟磁材料傳統損耗分離公式

修正后的軟磁材料高頻損耗分離公式

修正后發現，高頻下會產生一個與交流電導率相關的額外渦流損耗，傳統的損耗分離公式低估了渦流損耗，高估了剩余損耗的大小。

納米YIG添加劑的選擇

高頻錳鋅鐵氧體的磁導率一般不太高，一般非磁性晶界添加劑將使鐵氧體的起始磁導率進一步降低。那磁性的晶界添加劑對損耗和磁導率又會有何影響？應教授團隊選擇了納米YIG添加劑進行實驗。

實驗結果表明：

適量添加YIG提高了起始磁導率，起始磁導率分別提高了28.2%和13.9%；

適量添加YIG降低了高頻損耗，在1 MHz和3 MHz的室溫損耗分別降低了56.4% and 36.6%；

YIG添加對高溫損耗的降低更加明顯，添加適量YIG的鐵氧體軟磁材料在25–140?C溫度范圍內保持低損耗；

適量添加YIG提高了樣品的飽和磁通密度Bs，磁性YIG添加在晶界，降低了樣品內部的退磁場，根據非磁性（磁性）晶界模型，較大的晶界磁導率可以有效提高樣品的磁導率。

對磁滯損耗和渦流損耗的影響：適量YIG的添加提高了晶界電阻Rgb，極大地降低了材料的渦流損耗，也降低了材料的磁滯損耗；過量添加YIG反而降低了晶界電阻Rgb，使渦流損耗升高。

對截止頻率的影響：截止頻率隨YIG的添加先下降再上升高，與起始磁導率的趨勢相反，與斯諾克定律相符。該系列樣品具有高的截止頻率（9MHz以上），有利于材料應用于匹配第三代半導體的功率電子器件。

錳鋅鐵氧體中的應力效應

在實際應用過程中，錳鋅鐵氧體軟磁材料會經歷各種應力，如燒結過程產生的殘余應力，繞線、封裝、組裝過程經歷的外應力，以及封裝材料與磁芯材料膨脹系數不同而產生的應力，這些應力通常會降低鐵氧體軟磁材料的起始磁導率。

這些應力還會使錳鋅鐵氧體軟磁材料的功率損耗有所增加，在低頻下, 應力對損耗的影響不是很大；在高頻下, 應力對損耗的影響更顯著：

低頻下（100 kHz）磁滯損耗占主導，高頻下渦流損耗和剩余損耗逐漸起更重要作用；磁滯損耗、渦流損耗、剩余損耗都隨應力增強而增加。

磁滯損耗增加的原因：外加應力導致內部局域各向異性應力，使磁疇轉動和疇壁位移更加困難。

在應力的作用下，剩余損耗隨頻率的升高會更加快速地增加，疇壁共振和自然共振頻率都降低，導致截止頻率降低，因此剩余損耗增加。

結語

應耀副教授團隊探討了Co離子摻雜和晶界添加劑降低高頻損耗的作用機制，通過Co離子摻雜和晶界添加劑Ta2O5和YIG的添加，研究和開發了可應用于MHz頻段的高頻寬溫低損耗錳鋅鐵氧體。

并應力影響高頻損耗的作用機制：應力的施加使材料的損耗增加，特別高頻下功率損耗的增加更加顯著。

下一期，我們將介紹金屬軟磁粉芯面臨的技術挑戰與研究進展。

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