NOVA GENERACIJA Mn - Zn FERITOV ZA MOČNOSTNE APLIKACIJE Andrej Žnidaršič KLJUČNE BESEDE: materiali magnetni, feriti močnostni, MnZn feriti, lastnosti magnetne, pretvorniki napetostni, napajalnik močnostni, raziskava materiala, področje frekvenčno, permeabilnost začetna, predmagnetizacija, izgube magnetne POVZETEK: Študirali smo feritne materiale uporabne v različnih napetostnih pretvornikih. Izboljšali smo njihove magnetne lastnosti, zvišali začetno permeabilnost ni in nasičenjsko magnetizacijo Bs ter zmanjšali magnetne izgube P/V. Novi feritni materiali so posebno primerni za aplikacijo s predmagnetizacijo v frekvenčnem področju od 300 kHz do 1 MHz. A new generation Mn - Zn ferrites for power applications KEY WORDS: magnetic materials, power ferrites, MnZn ferrites, magnetic properties, voltage converters, power supplies, materials research, frequency domain, initial permeability, premagnetization, magnetic losses ABSTRACT: Ferrite materials for different switch power supplies were studied. The magnetic properties were improved. Initial permeability - and saturation magnetisation - Bs were increased, while the magnetic losses P/V were decreased. The popular frequency range for switching power supplies is from 10 to 300kHz at present, but it is more likely to be 500 kHz to some MHz in the near future. .... , It is well-known that predominant losses in Mn-Zn ferrite are hysteresis and eddy current losses. The main motivation for using fernte in transformers cores are low eddy current losses. Eddy current loss can be reduced by increasing the resistivity of the ferrite which depends on the grain boundary resistivity and the grain resistivity. Three type of additions can be distinguished with respect to the kind of incorporation in the basic fernte. The first type of addition acts indirectly via liquid phase formation and influence the microstructural development during sintering. Additions of the second type modify the grain boundary chemistry and increase the grain boundary resistivity, as for example Ca, Si. The third type of cation is soluble in the spinel lattice, as for example Ta, Sn etc. They effect the intrinsic properties such as magnetization, anistropy, resistivity and after effects. The desired chemical composition must lead to a high saturation magnetization and to a total anistropy optimized according to the operating frequency, the operating temperature and the ceramic microstructure. , Raw material quality determines ferrite quality. The microstructure of high frequency power ferrite must be controlled very carefully. So for synthetising a power ferrite with high performances, the raw materials impurities content and powder reactivity before firing have to be controlled precisely. Firing is a very important step in the process, because it is during this step that the ferrite is definitively synthesized and that the microstructure is performed. So atmosphere control in firing profile have to be carefully chosen. Our main goal was to obtain a fine and uniform microstructure and this has been possible by controlling sintering temperature, heating rate and high temperature soak time. Moreover, during the firing, the oxygen partial pressure p02 determines the Fe / Fe ratio and then increase the resistivity by decreasing the hopping mechanism. A new power ferrite designated as 35G, 45G and 65G for switching power supplies in frequency range from 300 kHz to 1 MHz has been successfully developed and put in the market already. UVOD Feriti so in ostajajo tehnično zeio pomembni ol 500 kHz je zelo pomembna temperaturna odvisnost magnetnih izgub. Magnetne izgube v splošnem naraščajo z rastočo frekvenco, kar povzroča segrevanje feritnega jedra in celotnega magnetnega sklopa. Zato je zelo pomembno, da imajo močnostni Mn-Zn feritni materiali visoko Curievo temperaturo Tc > 200°C, kar dosežemo s primerno kemijsko sestavo bogato s Fe203in Mn304, ter visoko nasičenjsko gostoto pri delovni temperaturi Tdei = 90 do 105°C. Magnetne izgube ustreznega Mn -Znferita morajo imeti negativni temperaturni koeficient in doseči minimalno vrednost na področju delovne temperature magnetnega sklopa. Na magnetne izgube feritnega materiala vplivajo različni faktorji, kot so: kemijska sestava, valenca ionov, nečistoče, dodatki (Sn, Ti, Ca, Ta), pore in njihova porazdelitev ter pojavi na mejah med zrni. Zato je potrebno za zmanjšanje magnetnih izgub preprečiti vse navedene vplive, dobro obvladovati tehnološki proces izdelave feritnih jeder, posebno pripravo feritnega prahu in sintranje. Feriti z nizkimi magnetnimi izgubami so zaželeni skoraj v vseh aplikacijah, izjema je le absorbcija elektromagnetnih valov v področju resonančnih frekvenc. Pri feritih z visoko nasičenjsko gostoto in nizko magnetokristalno anizotropijo, dosegamo sicer visoke permeabilnosti, vendar pa nizke specifične upornosti zaradi prisotnosti Fe^ln takoimenovanega Hooping efekta Fe^ _> 1®', ki zvišujejo magnetne izgube zaradi vrtin-častih tokov. Hooping efekt začne postopno naraščati, ko prekoračimo delovno frekvenco f > 100 kHz. Dušenje omenjenega efekta je možno z zvišanjem specifične upornosti, kar dosežemo z dopiranjem različnih malih dodatkov (npr. Ti''"'). Ti zasedejo v kristalni rešetki B mesta v bližini Fe iona in tako preprečijo gibanje elektronov med Fe^"" in Fe®"". Druga možnost dušenja omenjenega efekta ter s tem zmanjševanja magnetnih izgub, kot posledica vrtinčastih tokov, je tvorba izolacijskega filma na mejah med zrni, kar dosežemo z dopiranjem različnih malih dodatkov (npr. Ca^^, Si^""). Kemijska sestava samih zrn se pri tem ne spreminja, dopanti se koncentrirajo na mejah med zrni, kar omogoča ohranjanje nizkih magnetnih izgub feritnega materiala. Tretja možnost zvišanja specifične upornosti in s tem zmanjšanja magnetnih izgub, je pravilen razvoj mikrostrukture končnega feritnega materiala, na katero vplivamo predvsem s fazo sintranja. Če je mikrostruktu-ra nehomogena in se kemijska sestava v posameznih zrnih spreminja je distribucija magnetnega pretoka in permeabilnosti v zrnih neenakomerna. Ker razmerje .2+ med gostoto magnetnega pretoka B in močnostnimi izgubami ni linearno, povzroči nehomogenost magnetnega pretoka, zvišanje magnetnih izgub v samem feritu. Zato pri pripravi močnostnih feritnih materialov uporabnih pri višjih frekvencah uporabljamo zelo čiste vhodne surovine, rast zrn pri sintranju pa zaviramo z uvajanjem raznih dodatkov (npr. Ta^^ Sn'*^). TIPIČNE MAGNETNE LASTNOSTI Močnostni Mn - Zn feriti so poleg trajnih keramičnih magnetnih materialov, komercialno najuspešnejše področje, s trendom rasti cca. 10 -15 % na leto. Potrebe po prenosu večjih moči ob istočasnih zahtevah po mini-aturizaciji pa usmerjajo raziskave v smeri razvoja novih materialov, novih geometrijsko prilagojenih oblik, kakor tudi v smeri izboljšave že obstoječih feritnih materialov. Tudi v Feritih, edinem proizvajalcu feritnih materialov na področju Slovenije, se zavedamo, da brez sledenja in prilagajanja hitrim tehnološkim dosežkom, ki jih vsak dan doživljamo na področju širokopotrošne in profesionalne elektronike ni mogoče dolgo ostati na zahtevnih trgih razvitega sveta, kamor smo zaradi majhnosti našega tržišča prisiljeni izvažati cca. 80 % celotnega proizvodnega programa. Zaprtost in skope informacije na področju tržno zanimivih elementov za elektroniko nas sili, da veliko pozornost posvečamo lastni razvojni dejavnosti, v tesnem sodelovanju z IJS - K 5. Plod skupnega razvojnega dela mešanega tima R.O. - Feriti in IJS - K 5 je tudi razvoj in vpeljava redne proizvodnje nove generacije močnostnih Mn - Zn feritov, s katerimi smo se izenačili z materiali, ki jih proizvajata renomirana proizvajalca Siemens in Philips. (C) Diagram 1: Začetna permeabilnost in W izgube v odvisnosti od temperature (45G, N67) Tabela 1Močnostni Mn - Zn ferit uporaben v frekvenčnem področju do 300 kHz Material P/V (mW/cm®) 25°C f= 100 kHz, 100°C B = 0.1T 25°C B{mT) 100°C 45G - Iskra 2300 <170 < 110 ž 500 >320 N67 - Siemens 2300 < 160 < 100 >510 >320 3C85-Philips 2000 < 230 < 165 >500 >330 Tabela 3.- Močnostni Mn - Zn ferit uporaben v frekvenčnem področju do 1 MHz Material m P/V (mW/cm®) 25°C f. 500 kHz, 100°C B = 0.1T 25°C B(mT) loCc 65G - Iskra 2000 <180 ^ 190 >490 >320 N49 - Siemens 1400 < 150 < 170 ž 510 S 320 3F4 - Philips 2000 < 175 < 180 ž 500 ^330 3600 i i i i 1 i XKXl ..........i 1 1 i.........j - 1 aoo j 1 \ t 2000 ...i 1S00- hI 1000- 1 j Diagram 2: Začetna permeabilnost in W izgube v odvisnosti od temperature (35G, N87) Tabela 2.- Močnostni Mn - Zn ferit uporaben v frekvenčnem področju do 500 kHz Material P/V (mW/cm^) 25°C ( = 500 kHz, 100°C B = 0.1T 25°C B(mT) 100°C 35G - iskra 2000 <300 < 230 >500 >320 N87 - Siemens 2300 < 290 < 240 >510 >320 3F3 - Philips 2000 < 225 < 230 >500 >330 ZAKLJUČEK Recesija, ki je zajela svetovni trg elektronske industrije v letih 1991,1992 in se v določeni meri prenesla tudi v leto 1993, je močno vplivala na stmkturo povpraševanja po feritnih materialih. Tako imenovan klasičen program feritnih materialov, ki je v preteklem obdobju obvladoval predvsem področje zabavne elektronike in različne telekomunikacijske sisteme, zaradi zasičenosti, velike ponudbe na svetovnem trgu in spremembe tehnologije izdelave, izgublja svoj prvotni namen. Glede na trende, ki se pojavljajo na področju elektronske industrije v smeri video teleinformatike, prenosne telefonije, satelitskih telekomunikacij, zabavne elektronike (HDTV) in napajalnikov različnih oblik in dimenzij, se spreminjatudi struktura tržno zanimivih Mn-Zn feritnih materialov. Najvišjo stopnjo rasti predstavljajo visokofrekvenčni močnostni Mn-Znferiti, ki pokrivajo frekvenčno področje od 300 kHz do 1MHz, vgrajeni v različnih napetostnih pretvornikih in napajalnikih, med katerimi so prav gotovo najpomembnejši SMPS (Switch Mode Power Supplies), ki pomenijo pravo revolucijo v omenjenem razvoju. Razvoj omenjenih napajalnikov sovpada z razvojem hitrih bipolarnih tranzistofjev, ki usmerjene signale na vhodu spremenijo v pulze visokih frekvenc, ter jih nato s feritnimi transformatorji transformiramo na zahtevano izhodno napetost. Diagram 3: Začetna permeabilnost in W izgube v odvisnosti od temperature (65G, N49) Z razvojem nove generacije močnostnih Mn - Zn feritov, smo razširili svoj program tržno zanimivih visokokvalite-tnih Mn - Zn feritnih materialov ter se po lastnostih izenačili s Siemensom in Philipsom, ki sta trenutno edina evropska proizvajalca omenjenih kvalitet. Zaradi hitrih sprememb, ki jih vsak dan doživljamo na področju elektronike, usmerjamo svoje nadaljne razvojne akcije skladno s trendi svetovnih proizvajalcev, v razvoj višje frekvenčnih Mn-Zn feritov, ki bodo vgrajeni v različnih visokonapetostnih transformatorjih v frekvenčnem področju do 1.5 MHz ter novo kvaliteto visokoper-meabilnih Mn-Zn feritov (ni = 15000), ki bodo vgrajeni v različnih transformatorjih, induktorjih ter visokoselektiv-nih filtrih na področju profesionalne, prenosne in zabavne elektronike ter telefonije, zaradi prodora minia-turizacije in prehoda iz analognih na digitalne telefonske sisteme. ZAHVALA Na koncu bi se želel zahvaliti mag. Marjeti Limpel in prof. dr. Mihu Drofeniku za strokovno pomoč ter Ministrstvu za znanost in tehnologijo, ki je z velikim razumevanjem finančno podprlo razvoj omenjenih materialov. REFERENCE: /1/ A. ŽNIDARŠIČ: Vpliv Sn''^na Mn-Zn ferite za močnostne aplikacije - SD 91, Portorož /2/A. ŽNIDARŠIČ, M. LIMPEL, G. DRAŽIČ, M. DROFENIK Investigation of power ferrites - ECERS second conference - Augsburg 1991 - ZRN /3/A. ŽNIDARŠIČ, M. LIMPEL, G. DRAŽIČ, M. DROFENIK Influence of TaaOson microstructure in low loss power ferrites - MIEL SD 92, Portorož /4/A. ŽNIDARŠIČ, M. LIMPEL, M. DROFENIK: Microstaicture control in low loss power ferrites - ICF 6 1992 - Tokyo, Japonska /5/ A. ŽNIDARŠIČ: Mn-Zn feriti za močnostne aplikacije Prvo slovensko posvetovanje - ELEKTRIČNE NAPRAVE - SPEN 92, Maribor /6/A. ŽNIDARŠIČ, M. LIMPEL, M. DROFENIK: Patentna prijava 9300259 - Urad Republike Slovenije za varstvo indust. lastnine - Kemijska sestava, tehnološki in proizvodni postopek priprave močnostnih Mn-Zn feritov, uporabnih v frekvenčnem področju od 16 kHz do 1 MHz Andrej ŽNIDARŠIČ dipl.ing. ISKRA FERITI d.o.o., Stegne 29, 61000 LJUBLJANA Prispelo: 19.07.93 Sprejeto: 03.09.93