空心线圈电感和铁氧体磁芯线圈电感哪个品质因素更高？ - 知乎6被浏览495分享邀请回答0添加评论分享收藏感谢收起0添加评论分享收藏感谢收起当前位置： >>
软磁铁氧体磁芯现下的市场形态
软磁铁氧体磁芯现下的市场形态发布时间： 9:59:17 浏览次数：16软磁铁氧体磁性材料和软磁铁氧体磁芯统称软磁铁氧体，长期以来软磁 铁氧体产量的增长是建立在其生产技术和应用技术共同发展的基础之上的。 电子技术的飞速发展，对软磁铁氧体器件，如电感器、变压器、滤波器等不 断提出了各种新的要求，这种要求促进了软磁铁氧体的发展，如适应
开关电 源向高频化发展的高频低功耗功率铁氧体材料，适应光纤通信和数字技术发 展的宽频带变压器和抗干扰扼流圈用的高磁导率与宽频带铁氧体材料，同时 具有高 μ 与高 Bs 的材料（双高材料），适应高清晰度和大屏幕显示器发展的 偏转线圈和回扫变压器用高频低损耗功率材料，以及适应表面贴装技术发展 的平面电感器和变压器用低烧结温度和低热阻的铁氧体材料等等，就是生产 和应用技术共同发展的最直接结果。 在开发和研究过程中，由于软磁铁氧体材料和磁芯的研究始终结合在一 起，从而形成了由各种软磁铁氧体材料制成的各种形状的磁芯，所有这些材 料及磁芯的不同组合可以具有各种不同的性能、特点和用途，以满足各种需 求。 软磁铁氧体磁芯材料是一种用途广、产量大、成本低的电子工业及机电工 业和工厂产业的基础材料，是其重要的支柱产品之一，它的应用直接影响电 子信息、家电工业、计算机与通讯、环保及节能技术的发展，亦是衡量一个 国家经济发达程序的标志之一。 软磁铁氧体材料是品种最多、应用最广的一类磁性功能材料，也是铁氧体 材料中发展最早的一类材料。自从 1935 年荷兰 Philip 实验室研究开发成功至 今已有将近七十年的历史，其性能也已得到了很大的改进和提高。由于这类 材料具有高的本征电阻率 ρ， 所以在交流条件下具有许多金属软磁材料所无法 比拟的优越性且价格低廉，并可制成各种形状的磁芯，因此，在高频区一般 都使用软磁铁氧体材料。用这类材料制成的磁芯被广泛应用于通信、广播、 电视、自动控制、航天技术、计算机技术、电子设备及其它 IT 产业中来制作 各种类型的电感器、变压器、扼流圈、抑制器和滤波器等器件。 目前由于软磁铁氧体具有广阔的发展前景和可预期的市场潜力， 从而成为 世界各国铁氧体公司开发和研究的重点。权威机构对全球软磁行业的评估认 为，世界软磁铁氧体需求量的平均增长速度在今后几年中将继续保持在 10%～15%的水平。由此可以看出，开发具有自己独立知识产权的可批量生 产的综合性能好的软磁铁氧体材料并迅速占领市场已经成为各个公司的当务 之急。本文在对软磁材料，特别是软磁铁氧体材料的发展过程及发展趋势进 行综合分析之后，指出了一些研究和开发人员在材料研究中普遍容易忽视的 问题。 一、软磁铁氧体材料的发展过程及发展趋势 一般地， 从应用角度来分，软磁铁氧体材料主要分为功率材料和高磁导率 材料两大类，为适应世界电子技术发展的需要，这两类铁氧体材料都已经得到了很大的发展，并且它们各自的分类也越来越细。现代功率铁氧体材料也 主要分为两大类：一类主要用于高频开关电源，即所谓高频低功耗材料；另 一类主要用于高清晰度彩色电视机和显示器，即所谓偏转磁芯 （Deflection Yoke）。我国在 1997 年发布的 SJ/T《软磁铁氧体材 料分类》 行业标准中， 按工作频率的不同把功率铁氧体材料分成了 PW1～PW5 五类：PW1 材料的工作频率为 15～100kHz；PW2 的为 25～200kHz；PW3 的为 100～300kHz；PW4 的为 0.3～1MHz；PW5 的为 1～3MHz。目前，国 内的大多数企业都已经能大批量生产出相当于 PW1～PW3 的材料，部分企业 也已经研究开发出了相当于 PW4 和 PW5 的材料，并且这些材料在各方面的 性能指标也都已经基本上达到甚至超过了国外同类产品的先进水平，但对此 类产品能实现大批量生产的企业还为数不多。 自日本 TDK 公司在国际上最早批量生产各种软磁铁氧体磁芯以来，因其 特殊 的地位，即它既是铁氧体软磁磁芯材料的生产者，同时又是各种软磁铁氧体 磁芯器件的开发和使用者，所以，无论从材料的开发上，还是材料的应用上， 它一直主导着世界软磁铁氧体的发展趋势。有关铁氧体方面的新材料、新工 艺、新技术，以至新的应用领域大都是由 TDK 公司首先推出的，世界各大铁 氧体生产企业也都在紧跟 TDK 的发展步伐， 但是近年来 TDK 的领先地位已受 到世界其它大铁氧体生产公司的挑战。开关电源变压器中很早就开始使用软 磁功率铁氧体 MnZn 材料，随着开关电源工作频率的不断提高，这种功率铁 氧体材料的发展也已经历了四代。最初，为适应开关电源市场的需要，TDK 于 70 年代初开发出了第一代功率铁氧体材料如 HC35。由于这种材料的功耗 较大，只能用在中心工作频率为 20kHz 左右的民用开关电源中，因此，TDK 于 80 年代初开发出了第二代功率铁氧体材料如 H7C1（PC30），这种材料的 特点是其功耗温度系数为负值，即随着温度的升高，功耗呈下降趋势，且中 心工作频率也已提高到了 100kHz 左右。 日本 TDK 公司于 80 年代最早开发了 使用频率可达 300kHz （中心频率为 100kHz） 的第三代功率铁氧体材料如 H7C4 （PC40），但由于当时磁芯的工作频率普遍低于 50kHz，只需采用 PC30 或 相当于 PC30 的材料就能满足使用要求，因此这种材料的发展比较缓慢。到 80 年代后期， 开关电源的工作频率已提高到了 250kHz 左右，由于 PC40 对工 作频率为数百 kHz 的开关电源特别适用，因此在工业类开关电源中得到了广 泛的应用。进入 90 年代中期，电子工程的发展对磁芯变压器的工作频率范围 不断提出了更高的要求，其目的是想通过减小磁路的体积和重量的方法来减 小使用电感元件的系统的体积（重量），以使这类器件小型化、片式化，从 而为更小体积的电子线路的发展提供保证。TDK 开发的第四代功率铁氧体材 料如 H7F（PC50）的中心工作频率可达 500kHz 以上，满足了开关电源进一 步对轻、小、薄的需要，并被认为是今后功率铁氧体材料的发展方向。 随后， Philips 公司推出了可用至 2MHz 的 3F4， 今年又推出了可用至 4MHz 的 3F5 材料，其 4F1 材料（NiZn）可用至 4～10MHz。以前人们普遍认为， PC50 材料在几年以后才可能会有市场，但从目前的发展趋势来看，业界对 PC50 材料已经有需求，可见其市场基本已经起动。在 90 年代，日本 TDK 还 开发成功了 PC44、PC45、PC46 及 PC47 材料，其功率损耗比 PC40 材料降低 了约 1/4～1/3，在 f=100kHz，Bm=200mT 的条件下，其功率损耗均在 300kW/m3 以下，甚至可到 250kW/m3 左右；在 f=100kHz，Bm=200mT，T=100℃的条件下，PC40、PC44 和 PC47 三者的功耗分别为 410、300 和 250kW/m3。 学术界普遍认为，今后，开关电源用功率 MnZn 铁氧体材料主要有两大发 展趋势：一是继续向超低功耗方向发展，目前这类材料已经系列化，其典型 代表如日本 TDK 公司的 PC40、PC44、PC45、PC46 及 PC47 等。世界其它各 大铁氧体公司也纷纷加紧开发并相继推出了自己的 PC40 或相当于 PC40 的铁 氧体材料及系列产品，如 FDK 的 6H10 和 6H20、Philips 公司的 3C90、Tokin 公司的 BH2 及 Siemens 公司的 N92 等等。 当前开关电源主流产品的工作频率 为 100～300kHz，在 TDK 推出 PC44 后，Siemens、FDK、Philips、Tokin 等 公司也分别推出了 N97、6H40（以及 6H41 和 6H42）、3C91（以及 3C94 和 3C96）和 BH1 等相当于 PC44 性能的材料牌号。二是继续向高频化方向发展， 如可用至 1MHz 的日本 TDK 公司的 PC50 材料和可用至 4MHz 的荷兰 Philips 公司的 3F5 材料等等。另外，开关电源的工作频率也已经有向 300～500kHz 发展的趋势，相应的满足工作频率为 0.5～1MHz 的开关电源用功率铁氧体材 料如 PC50 也已商品化，在 80～100℃，500kHz，50mT 下，磁芯损耗已经达 到 80～100kW/m3 的水平，Siemens 在 2002 年最新公布的新 N49 材料在此条件下的功率损耗已经达到 40～60kW/m3 的水平[1]。为适应 市场需要，现在，世界各主要铁氧体生产企业生产的功率铁氧体材料的性能 已基本上可以覆盖从 25kHz～4MHz 的频率范围， 如 Siemens 公司的 N49， 其 工作频率为 300kHz～1MHz，N92 和 N97 为 25～500kHz，N59 为 500～ 1500kHz；Philips 的 3F3 可用到 200～500kHz 的频率范围，3F35 可用至 500kHz～1MHz， 3F4 及 3F45 可用至 1～2MHz， 3F5 为 2～4MHz； FDK 的 7H10 和 7H20 可用至 500kHz～1MHz， Tokin 的 B40 也可用至 500kHz～1MHz 等等。 超过 4MHz，则需使用 NiZn 材料，如 Philips 公司可用至 10MHz 的 4F1 材料 等。可以看出，今后功率铁氧体材料研究开发的重点仍然是向小型化、高频 化、低损耗化方向发展，同时要求材料应具有更高的室温及高温 Bs、更好的 直流叠加特性及温度特性等等。 高磁导率铁氧体材料也经历了类似的发展历程，60 年代德国 Siemens 公 司的研究人员就在实验室制得初始磁导率 μi=40000 的材料，尽管其 TC 只有 40℃，实用价值不大，但是至今仍保持着最高的 μi 记录。日本 TDK 公司早在 1986 年就在过去生产的 H5C2（μi＞104）的基础上成功地开发出了商品化的 系列高磁导率 MnZn 铁氧体材料如 H5D（μi＞15000）和 H5E（μi＞18000） 等，但这两种材料的适用频率范围分别低于 50kHz 和 10kHz，高频特性很差， 因而大大限制了其应用范围。随着电子技术的发展，在抗电磁干扰噪声滤波 器、电子电路宽带变压器、综合业务数据网（ISDN）、局域网（LAN）、宽 域网（WAN）、背景照明等领域中需要大量频率特性优良的高磁导率 MnZn 铁氧体材料，为此，日本 TDK 于 1994 年成功开发出 μi=13000，使用频率可 达 100kHz 的 MnZn 铁氧体材料 H5C3，1995 年又在文献上公布研制成功 μi=23000 的材料[2]；在其 2000 年年度报告中称开发成功了超高磁导率材料 H5C5，但未公布其具体的性能参数，直到 2001 年 10 月 19 日，才在其最新 产品目录中公布了这种材料的具体指标，在 10kHz，10mV，10 匝下其 μi=30000±30%。在其它指标与 H5C3 相差不大的情况下，其相对损耗因子 tgδ/ui＜15× 10－6，比 H5C3 大近一倍（H5C3 为＜7× 10－6），这种材料目 前主要用于宽带变压器，并且其规格仅限于 ? 3～6mm 的环形产品，可以认为是专门针对特殊用途而开发的一种新材料。当然，国际其它大公司也都推 出了对应牌号的材料及产品来应对市场的发展。 在高磁导率材料方面，当前人们在追求更高的初始磁导率 ui 的同时，还 要求材料的居里温度 TC 要高，温度特性要好，即损耗因子 tgδ/ui 及温度系数 ui 要低；另外，也要求材料要有好的频率特性，即随着使用频率的增高，磁 导率的衰减要慢，使 ui～f 曲线在较宽的频带内保持平直，并具有高的截止频 率，即所谓宽频高导。目前，国际上商品化材料的 ui 值已高达 15K 甚至 18K， 并都可以使用到 300kHz 左右的频率， 对于 10K～12K 的材料， 其 ui 值一般可 到 100kHz 左右仍保持平直，国内多数企业也能大批量生产出相当于 10K～ 12K 的材料，少数企业能生产出相当于 15K 甚至更高的材料。 我们在密切关注软磁铁氧体材料发展动向的同时， 也应随时注意对软磁铁 氧体材料的发展构成威胁的其它高频软磁材料的发展趋势和动向。与永磁材 料类似，我国的企业大都把精力放在模仿国外的高档材料和高档产品上，很 少有能力开发拥有自主知识产权的新材料和新产品。纳米晶软磁材料的发明 开创了一个新的可能性：80 年代末期开发成功的 Finemet 纳米微晶材料为性 能优于软磁铁氧体的高 Bs、高 U 软磁材料，其居里温度为 570℃，远高于 MnZn 铁氧体和 Co 基非晶材料；其 Bs 接近 Fe 基非晶材料，可达 1.3T，为 MnZn 铁氧体的 3 倍；其初始磁导率 ui 大于 10 万，而功耗只是目前最好的软 磁 Mn-Zn 铁氧体的 1/3，λs 仅为 Fe 基非晶材料的 1/10。其 ui 在 10～100kHz 时开始衰减，虽然其衰减磁 导率在高频区（对普通模式的扼流圈有用）与 MnZn 和 NiZn 有重叠，但在高 频区的品质因数要比这两种铁氧体好得多， 在声频区 （到 100kHz） 效率很高。 另外，由于它是金属电导，电容率很小，所以在高频下从未观察到尺寸共振 效应[3]， 因而应用于高频段时其性能远优于 Fe 基非晶态合金和 MnZn 铁氧体， 其工作频率为 300～500kHz，工作温度高于 300℃。作为工作频率 30kHz 的 2kW 开关电源变压器， 重量仅为 300g， 体积仅为铁氧体的 1/5， 效率高达 96%。 此外，还发展了 Fe-M-B(M=Zr，Hf，Nb)系，Fe-M-C(M=V，Nb，Ta)系等软 磁性能优异的纳米晶材料，并都已经实现了商品化。可见，纳米晶软磁材料 必将成为软磁铁氧体的有力竞争者。所以，如果我们能够紧跟世界潮流，从 纳米软磁材料的研究上取得突破，就可以取得跨越式的重大发展。 二、软磁铁氧体磁性材料开发的几个误区 随着信息产业技术的迅猛发展以及电子设备制造技术的不断更新和完善， 磁芯元器件市场对高性能开关电源（SMPS）用超低功耗功率铁氧体材料、高 性能回扫变压器（FBT）用功率铁氧体材料以及现代网络通信系统和数字电子 设备电磁兼容用高磁导率铁氧体材料的需求量将越来越大。由于上述材料的 技术含量及附加值均较高，因此，为了赢得更大的市场占有率，获得更大的 利润，国内外各磁性材料专业制造厂家都在花大力气研究和开发该类材料。 但许多企业在把注意力放在提高现有材料的质量档次和技术水平的同时，却 都忽略了一个很重要的问题，这就是并未意识到现有材料的寿命（包括其开 发寿命和使用寿命）。开发寿命，从理论上讲就是要注意其各种物理性能的 理论极限，从性能价格比上讲就是要看有没有进一步开发的余量。 纵观世界 MnZn 铁氧体材料近几年的发展可以看出， 在研制开发具有更低 功耗或/和更高 ui 的软磁铁氧体新材料 （无论是功率材料还是高导材料） 方面， 世界各大铁氧体公司的进展都很缓慢， 也可以说一直没有取得多大突破， 2000年 9 月于日本举行的第八届国际铁氧体会议（ICF8）也反映出这一点。PC40 产品 TDK 公司于 1984 年以前就开始批量生产了， 并且早在 1990 年就研制开 发出 PC44 材料（1994 年开始出现在其产品目录上）；可用至 1MHz 的高频 功率铁氧体材料 PC50 材料 TDK 公司也早在 1989 年就推出了。过去几年中， TDK 公司针对特殊电路需要虽然也推出了几个新材料，但这些材料的功耗并 未超过该公司 1995 年开发的材料的水平(当时该材料的 Pcv 在 80℃时已经达 到 199kW/m3， 到现在仍是国际上的最高水平)[4]。 例如： PC44、 PC45、 PC46 材料的主要差别只是其功耗最低点所对应的温度不同（分别在 100℃、70℃ 和 50℃左右），除 PC46 材料由于损耗最低点温度接近室温而使其初始磁导 率值 ui3200± 25%)稍高以外，这几种材料在整体性能上的差异并不是很 大。 在 2001 年 10 月 19 日，TDK 公司同时也公布了另外的一些系列新产品， 如功率变压器及扼流圈用 PC33 材料和汽车动力系统用 PE33 两种高 Bs 材料， 在 100℃时 Bs 的典型值分别高达 440mT 和 450mT，居里温度也高达 290℃ 以上；其新的双高材料 DN50 在 25℃时的 ui 和 Bs 分别高达 5500± 20%和 550mT；ASDL 调制解调器变压器用低谐波失真（Total Harmonic Distortion， THD）材料 DN40 的 ui＜2.5× 10－6 ，减落因子 DF＜3× 10－6。这些材料的 一个显著特点就是，它们都是在充分挖掘已有材料潜力的基础上开发出来的 特殊用途材料，并把这些材料的特性提高到了一个接近其理论极限的很高的 水平，可以想象，制备这些材料时，对原材料、制作工艺、制造设备及工艺 控制等也会提出很高的要求。 软磁铁氧体磁芯材料的发明与实用化，至今已半个世界，由于它具有高磁 导率、高电阻率、低损耗及陶瓷的耐磨性，因而在电视机的电子束偏转线圈、 回扫变压器、收音机扼流圈、中周变压器、电感器、开关电源、通讯设备、 滤波器、计算机、电子镇流器等领域得到广泛应用；随着电子技术应用日益 广泛，特别是数字电路和开关电源应用的普及，电磁干扰（EMI）问题日益重 要，世界各国对电子仪器及测量设备抗电磁干扰性能提出的标准越来越高， 因此以软磁铁氧体为基础的 EMI 磁性元件发展迅速，产品种类繁多，如电磁 干扰抑制器、电波吸收材料、倍频器、调制器等，现已成为现代军事电子设 备、工业和民用电子仪器不可缺少的组成部分。 上传我的文档
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铁氧体磁芯
初始磁导率：2500（μ）
居里温度：220（）（℃）
剩磁：65（）（T）
矫顽力：70（）（KA/m）
密度：4.8（）（g/cm3）
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饱和磁通密度：390（T）
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