金属磁粉芯和MnZn铁氧体的对比分析-蒋胜勇.doc

金属磁粉芯和MnZn铁氧体的对比分析
蒋胜勇

一、金属磁粉芯和MnZn软磁铁氧体同属“软磁家族”

二、金属磁粉芯目前市场份小但增长速度快于MnZn软磁增长的速度
根据有关专家的初步统计， 2006年金属磁粉芯在全球年销售额大约为1.8 亿美元，占软磁材料的3%左右，其中高磁通、铁硅铝、铁镍钼在1 亿美元左右。预计高磁通、铁硅铝、铁镍钼市场在未来几年将会以每年40%以上的速度增长，远大于铁氧体等软磁材料的增长速度。

三、金属磁粉芯与MnZn软磁铁氧体的磁导率及Bs对比倍，但饱和磁通密度Bs高，两者相比约2倍
1、金属磁粉芯磁导率远低于MnZn软磁铁氧体。
从下表中可看出，金属磁粉芯磁导率在9-300左右，同比低功耗MnZn磁导率在1800-3500，高导MnZn铁氧体磁导率在4000-18000。
2、金属磁粉芯磁导Bs值明显高于MnZn软磁铁氧体。
从下表中可看出，金属磁粉芯饱和磁通密度Bs在800-15000mT，同比MnZn为300-540mT。

四、不同类型金属磁粉芯的细致说明
1、铁粉芯（1P）：是制造差模滤波器和无源PFC 电感最廉价实用的材料。
2、铁粉芯（3P、4P）：是制造功率扼流圈廉价实用的材料，但一般情况下应用于对空间要求不高的场合。如多数中低频（一般小于50kHz）UPS 电源中大多采用4P 材料作为输出扼流圈。特别提醒应用频率不应超过100kHz。很多情况下采用3P 材料制造差模滤波器或无源PFC 电感是基于应用噪声问题。这里特别指出的是铁粉芯材料有两方面的缺点值得设计者关注，相关细节可以参考厂家的专业说明。一是铁粉芯材料由于磁致伸缩的原因，有时不可避免会造成噪声，一般1P 材料最甚，3P、4P 材料次之（不同品牌的铁粉芯材料磁致伸缩因子差异比较大），而其它类型的金属磁粉芯材料磁致伸缩因子几乎为零，不存在应用噪声问题。二是铁粉芯材料本身有热衰退问题，即长期在高温下（一般指100℃以上）使用会造成损耗永久增大，影响铁粉芯材料使用寿命。
3、 羰基铁T：由于采用超细铁粉制作，这种材料具有相对较小的涡流损耗，特别适宜于应用在频率100kHz-100MHz 范围（大家知道，磁性材料在小信号下主要表现为涡流损耗，较大信号即功率应用情况下超过100kHz 时涡流损耗占主导地位），是制造高频功率扼流圈（特别是高频谐振电感）、RF 调谐电感芯体理想的材料。
4、高磁通H：制造功率扼流圈可以实现体积最小化（即最大功率密度）。在军工领域，考虑到体积最小化和性能最优化，更多选用H125 材料制造差模滤波器和无源PFC 电感。
5、铁镍钼Y：制造功率扼流圈可以实现损耗最小化，此外由于μ选择范围宽，在某些特定场合（如高压小电流输出扼流圈）更具实用性。Y 材料温度系数最小是军工领域应用最为普遍的重要原因。
6、铁硅铝A：尽管偏磁性比H 材料略差，损耗比Y 材料略差，但由于价格低廉使得A材料成为制造功率扼流圈性价比最高的材料。在民品市场，A 材料几乎占据了金属磁粉芯扼流圈80%以上的市场份额。

五、金属磁粉芯的常见应用领域
1．差模滤波器
差模滤波器的设计比较简单，多数设计人员都知道用金属磁粉芯制造差模滤波器需要单层绕线但不知其故，其实原因很简单，单层绕线一般可以实现高频全频带范围内阻抗最大化。特殊情况下，如希望滤除更多低/高频干扰需要采用多层绕线/间绕。
2．无源PFC 电感
通常应用频率（指逆变频率）不高（一般指低于50kHz）的情况下，采用有气隙的硅钢是制造无源PFC 电感的较佳选择，但采用金属磁粉芯特别在较高频率下不失为实用的选择。
3．功率扼流圈
运用金属磁粉芯制作功率扼流圈广泛应用在BUKE（如全桥、半桥、推挽开关电源输出扼流圈）、BOOST（如有源PFC 电感）、CUKE、BUKE-BOOST（如单端反激变压器）等拓扑模式的电路中，也是功率谐振电感（移相补偿电感）的较佳选择。应用中最为常见的是开关电源输出扼流圈（BUKE）及有源PFC 电感（BOOST）的设计。

六、金属磁粉芯电阻率低，从而导致了高频功率损耗大
1、东磁FeSiAl的损耗
铁硅铝环形磁粉心，主要包括磁导率26,60,75,90及125五种材料，产品尺寸（外径）从6.35mm到640mm。损耗与直流叠加特性如下表：

从表中可以看出，在100kHz，100mT测试条件下，其功耗损耗接近1000kW/m3，同比MnZn功率铁氧体的损耗只有40-90 kW/m3，金属磁粉芯的损耗是MnZn功率铁氧体10-20余倍。
2、东磁FeNiMo（即MPP）合金的损耗
铁镍钼环形磁心，主要包括磁导率60、125及160几种，产品尺寸（外径）从6.35~64mm。
损耗与直流叠加特性如下表：

3、东磁FeNi合金的损耗
铁镍环形磁粉心，主要包括磁导率60，125二种材料，产品尺寸(外径)从6.35mm到64mm，损耗与直流叠加特性如下表：

七、磁粉心生产工艺流程
磁粉心生产的一般工艺流程如下：
合金冶炼→制粉→粉分级→粉处理→配料→绝缘包覆→磁心压制→磁心烧结与处理→性能检测→浸溶→干燥→涂覆→验收→包装入库。
在上述工艺流程中，制粉、粉处理、配料、绝缘包覆、压制、烧结处理等工序是关键生产工序。以下就这几项关键生产工序作简要分析:
1、制粉工序---目前主要有两种制粉方法：雾化法和哈密塔磨粉机制粉法。
采用雾化法生产的可以制取球状或类球状的粉末。该方法制粉控制的主要工艺参数有：合金的液流速度、雾化介质及雾化介质的压力、冷却介质等。
采用哈密塔磨粉机制粉方法得到的是鳞片状的粉末。它是在惰气保护下进行，并通过惰气流将磨细的粉末带入收集桶里。其控制的主要工艺参数就是惰气流的大小。
2、粉处理工序---粉处理的目的是为了使合金粉进一步得到净化，使合金的结晶状况尽可能完好或是使制粉过程中被破坏了的晶粒得到一定程度的恢复。该工序控制的主要工艺参数有：净化气体的纯度、流量、处理温度及时间。
3、配料工序---配料在磁粉心的制备过程中是很关键的工序，配料的目的是根据磁粉心的性能要求确定配料工艺。如：合金粉料的组成与配比、合金粉的粒度分布与组成及各组成的配比等都应正确的选择与控制
4、绝缘工序---绝缘是将金属磁粉末粒子的表面均匀地包覆一层绝缘膜。该工序控制的主要工艺要素有：绝缘剂的加入顺序、加入时间、加入方式及操作方法。
5、压制工序---是将绝缘包覆好的磁粉压制成各种规格的磁心。该工序控制的主要工艺参数有单重、压力、保压时间等。一般采用的压力为(9.8-25.5)×108Pa。对于小而薄的磁心取下限、大而厚的磁心则取上限。
6、烧结处理工序---烧结处理在磁粉心的生产中是最关键的工序，也是工艺因素影响最敏感的工序。它可以是在空气中进行，也可以在氢或惰气保护下进行。此时，升温速度、烧结处理温度、恒温时间、降温、冷却方式等工艺参数，都是要求严格注意控制的。如果在保护气氛下进行，则还应注意气体的纯度、流量及为保证坯料与气流充分接触而采取的气体输入和导出方式。
八、国内外生产企业及竞争状况
金属软磁粉芯由于生产工艺技术特殊，涉及磁学和粉末冶金两个基本学科。在五种金属软磁粉芯中，由于铁粉芯生产工艺技术较为简单，上世纪末期一些台商老板先后在东莞、珠海、深圳等地创办了大规模生产铁粉芯的企业，如嘉诚，可达、盛忠等七、八家企业。以后淅江东磁也上了国内最大的铁粉芯生产企业。还有湖州柯达等，并且在东莞、珠海等还演生了富华、东金等一些小型铁粉芯生产厂家。并随着市场的需求，又诞生了吴江嘉诚。由此，我国铁粉芯的生产已达相当规模。除供国内市场需要外，还以优惠的价格打入国际市场。
但三种合金系列的磁粉芯生产企业极少，仅有武汉浩源磁材有限公司和七星飞行(原七九八厂)、上钢所等三家企业有小规模供货。2000年起，淅江东磁也开始了合金系列的研制生产，目前铁硅铝系列部分产品已开始批量供货。近年湖州柯达和杭州波峰也开始了铁硅铝系列产品的小规模供货。但总的来说与市场需求相较，仅占极小部份。目前我国市场几乎百分之百由国外产品供货。最初是美国Magnetics Co.和Arnold Co.垄断我国市场。从九十年代中期开始，韩国长胜(CSC)公司产品以其优良的质量和比美国低得多的价格大量打入中国市场。近年韩国东部公司产品质量也有很大提高，也开始大量打入中国市场。所以，目前在我国市场上，三种合金系列的产品，韩国产品占70%以上，美国产品约占25%以上。
金属软粉芯由于生产工艺特殊，特别是三种合金系列，过去仅能生产供应环形磁芯。规格由φ3.6~77.8mm是常用的生产规格。国际上已标准化、系列化的各种性能档和规格产品生产也渐趋统一。近年由于市场的需要，三种合金系列的磁粉芯也开始生产EE、E1、UU等异型产品。
九、其它
1、由于金属磁粉芯的高Bs值，不易被饱和，故其可在有大电流通过的差模滤波器中应用，在此领域MnZn软磁铁氧体几乎没有应用。
2、由于金属磁粉芯的磁导率最高只有数百，故其在要求高感量因数的共模滤波器几乎没有应用，在共模滤波器几乎被MnZn软磁铁氧体垄断。
3、由于金属磁粉芯的Bs值高，故其抗直流叠加能力也很强。
① 在工作频率不是特别高（一般不大于50kHz），但却有着较大直流成分的功率扼流圈有着一定份额的应用，如BUKE、BOOST、BUKE-BOOST（如单端反激变压器）等拓扑模式的电路中。在此应用领域与MnZn低功耗存在一定的市场重合。
② 但随着工作频率的进一步升高，金属磁粉芯的高频损耗会导致磁芯的大量发热，效率变低、温升变高，故高频功率变压器、电感器目前的最优性价比选择还是MnZn功率软磁铁氧体。
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