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：2014-7-7 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/T1766-1997《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Ø3～6mm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。