Nova generacija Mn - Zn feritov za močnostne aplikacije A new generation Mn-Zn ferrites for power applications Andrej Žnidaršič - ISKRA Feriti, Ljubljana Miha Drofenik - Inštitut Jožef Štefan, Ljubljana Študirali smo feritne materiale uporabne v različnih napetostnih pretvornikih. Izboljšali smo njihove magnetne lastnosti, zvišali začetno permeabilnost pi in nasičenjsko magnetizacijo B , ter znižali magnetne izgube P/V na enoto volumna. Z razvojem nove generacije močnostnih Mn-Zn feritov, s komercialnimi imeni 35G, 45G, smo razširili proizvodni program tržno zanimivih visokok\>alitetnih feritnih materialov za vgradnjo v frekvenčnem področju do 500 kHz. Ključne besede : magnetni materiali, močnostni feriti, napetostni pretvorniki, frekvenčno področje,začetna permeabilnost, predmagnetizacija, magnetne izgube The popidar frequency range for switching power supplies is from 10 to 300 kHz at present, but it is more likely to be 500 kHz to some MHz in the near future. It is well-knoM>n that predominant losses in Mn-Zn ferrite are hysteresis and eddy current losses. The main motivation for using ferrite in transformers cores are very low eddy curent losses. Eddy curent 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 distinguishedwith respect to the kind of incorporation in the basic ferrite. The first type of addition acts indirectly via liquid phase formation and influence the microstructal development during sintering. Additions of the second type modify the grain boundary chemistry and increase the grain bound-ary resistivity, as for example Ca, Si. In the third type of additivies cations are soluble in the spine l lattice, as for example Ta, Sn etc. They effect the intrinsic properties such as magnetiza-tion, anisotropy, resistivity and after effects. The desired chemical composition must lead to a high saturation magnetization and a total anisotropy, optimized according to the operating frequency, the operating temperature and the ceramic microstructure. The quality of the raw material determines the ferrite quality. The microstructure ofhighfre-quency power ferrite must be controlled very carefully. So for synthetising a power ferrite with high performances, in the raw material impurities content and powder reactivity beforefiring 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 atmoshere control in firing profde 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 tirne. Moreover, during the firing, the oxygen partial pressure pO2 determines the Fe2+/Fe3+ ratio and then increases the resistivity by decreasing the hopping mechanism. A new power ferrite designated as 35G and 45G for switching power supplies infrequency range up to 500 kHz, has been successfully developed andput in the market already. Key words : magnetic materials, power ferrites, voltage converters, frequency domain, intial permeability, premagnegnetization, magnetic losses 1 Uvod Feriti so in ostajajo tehnično zelo pomembni oksidni materiali. Obseg in uporaba feritnih jeder se na različnih področj ih elektronike zelo spreminja, odvisno od razvoja in aplikativnih sposobnosti samih feritov, kot tudi drugih pasivnih in aktivnih komponent. S prehodom od analogne na digitalno telekomunikacijsko tehniko se večajo potrebe po širokopasovnih prenosnikih, s prodorom elektronike na različna področja tehnike pa naraščajo potrebe po necentraliziranih tokovnih izvorih, impulznih napetostnih pretvornikih itd., v katerih so vgrajeni visokofrekvenčni moloizgubni močnostni Mn -Zn feriti. Potrebe po prenosu večjih moči ob istočasnih zahtevah po miniaturizacij i pa narekujejo raziskave v smeri razvoja novih feritnih materialov z nizkimi magnetnimi izgubami v širokem frekvenčnem področju. Z razvojem nove generacije močnostnih Mn - Zn feritnih materialov in izpopolnjenih geometrij škili oblik jeder, ki omogočajo prenose večjih moči, prodira uporaba feritnih jeder tudi na področje širokopotrošne in profesionalne elektronike (napajalniki, linijski transformatorji, impulzni transformatorji, vrstični transformatorji, impulzni napetostni pretvorniki, razne dušilke, varilne elektrode ), torej na področje energetske elektronike. Uporabil in razvoj MOSFET in hitrih bipolarnih tranzistorjev omogoča delovanje in uporabo različnih napetostnih pretvornikov pri frekvencah tudi nad 500 kHz. Delovanju pri tako visokih frekvencah morajo biti prilagojene tudi lastnosti močnostnih feritnih materialov in jeder. Feritni materiali uporabni v navedenih aplikacijah in širokem frekvenčnem področju od 20 kHz do 500 kHz se odlikujejo po visoki nasičenjski gostoti Bs, Curievi temperaturi Tc, notranji upornosti (p) in začetni permeabilnostipi,prilagojenidelovni( uporabni ) frekvenci, ter po nizkih temperaturno in frekvenčno odvisnih magnetnih izgubah ( P / V ),kidosegajominimalno vrednostpridelovni temperaturi magnetnega sklopa. Pri delovnih frekvencah Mn-Zn feritnega jedra f = 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 primemo kemijsko sestavo bogato z Fe203 in Mn,04, ter visoko nasičenjsko gostoto pridelovni temperaturi Tdel = 90 do 105°C. Magnetne izgube ustreznega Mn-Zn ferita 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. Pri feritih z visoko nasičenjsko gostoto in nizko magnetokri- stalno anizotropijo, dosegamo sicer visoke permeabil-nosti, vendar pa nizke specifične upornosti zaradi prisotnosti Fe2* hoppmg efekta Fe2+^ Fe3* + le-, ki zvišujejo magnetne izgube zaradi vrtinčastih tokov. Hop-ping efekt začne postopoma 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. Ti4+ ). Ti zasedejo v kristalni rešetki B mesta v bližini Fe2* iona in tako preprečijo gibanje elektronov med Fe2* m Fe3+. Druga možnost dušenja omenjenega efekta ter s tem zmanjševanja magnetnih izgub, kot posledico vrtinčastrh tokov, je tvorba izolacij skega filma na mejah med zrni, kar dosežemo z dopiranjem različnih malih dodatkov ( npr. Ca2*, Si2* ). Kemijska setava 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 m s tem zmanjšanja magnetnih izgub, je pravtlen razvoj mikrostrukture končnega feritnega materiala, na katero vplivamo predvsem s fazo sintranja. Če je mikrostruktura nehomogena in se kemijska sestava v posameznih zrnth spreminja je distribucija magnetnega pretoka in permea-bilnosti v zrnih neenakomerna. Ker razmerje med gostoto magnetnega pretoka B in močnostnimi izgubami ni linearno, povzroči nehomogenost magnetne ga pretoka zvišanje magnetnih izgub v samem feritu. Zato pri pripravi močnostnih feritnih materialov uporabnih pri višjih frekvencah uporabljamo zelo čiste vhodne surovine, rast zm prt sintranju pa zaviramo z uvajanjem raznth dodatkov (npr. Ta5+, Sn4*) . 2 Tipične magnetne lastnosti Močnostni Mn - Zn feriti so poleg trajnih keramičnth magnetnih materialov, komercialno najuspešnejše področje, s trendom rasticca. 10-15%na leto. Potrebe po prenosu večjih močt ob istočasnih zahtevah po miniaturrzaciji, usmerjajo raziskave v razvoj novih materialov, novih geometrijsko prilagojenih oblik, kakor tudi v smeri izboljšave že obstoječih feritnih materialov. Tudi v Feritih, edinemu proizvajalcu feritnih materialov na področju Slovenije, se zavedamo, da brez seznanjanja in prilagajanja hitrim tehnološkim dosežkom, kijih 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 izvažaticca. 80 %celotnega proizvodnjega programa. Zaprtost m skope informacije na področju tržno zanimivih elementov za elektroniko povzročajo, da veliko pozornost posvečamo lastni razvojni dejavnosti, v tesnem sodelovanju z IJS - K 5. Rezultat skupnega razvojnega dela mešanega tirna R.O. - Feriti in IJS - K 5 je tudi razvoj in uvajanje redne proizvodnje nove generacije močnostnih Mn - Zn feritov, s katerimi smo se izenačili z Tabela 1. Močnostni Mn - Zn ferit uporaben v frekvenčnem področju do 300 kHz Table 1. Mn-Zn power ferrite for application in frequency range up to 300 kHz Material m P/V (mW/cm3) f=100 kHz B=0.1T B (mT) 25°C 100°C 25°C 100°C 45G - ISKRA 2300 < 170 <110 >500 >320 N67 - SIEMENS 2300 < 160 < 100 > 510 >320 3C85- PHILIPS 2000 <230 < 165 > 500 >330 Tabela 2. Močnostni Mn - Zn ferit uporaben v frekvenčnem področju do 500 kHz Table 2. Mn-Zn power ferrite for application in frequency range up to 500 kHz Material Hi P/V (mW/cm3) f=500 kHz B=50 mT B (mT) 25°C 100°C 25°C 100°C 35G - ISKRA 2000 <300 <230 >500 >330 N87 - SIEMENS 2300 <290 <240 >510 >320 3F3 - PHILIPS 2000 <225 <230 >500 >330 materiali, ki jih proizvajata renomirana proizvajalca Siemens in Philips. 3 Zaključek Recesija, kije zajela svetovni trg elektronske industrije v letih 1991, 1992, m se v določeni meri prenesla tudi v leto 1993, je močno vplivala na strukturo povpraševanja po feritnih materialih. Klasični program feritnih materialov, kije v preteklem obdobju obvladoval predvsem področje zabavne elektronike m različne telekomunikacijske sisteme, zaradi zasičenosti, predvem pa sprememb v tehnologiji izdelave, vse bolj 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 spreminja tudi struktura tržno zanimivih Mn-Zn feritnih materialov. Najvišjo stopnjo rasti predstavljajo visokofrekvenčni močnostni Mn - Zn feriti, ki pokrivajo frekvenčno področje od 200 kHz do 500 kHz, 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 tranzistorjev, ki usmerjene signale na vhodu spremenijo v pulze visokih frekvenc, ter j lh nato s feritnimi transformatorji transformiramo na zahtevano izhodno napetost. Z razvojem nove generacije močnostnih Mn - Zn feritov, smo razširil i svoj program tržno zanimivih visokokva 1 itetnlh 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 transformatorj lh v frekvenčnem področj u do 1 MHz, ter novo kvaliteto visokopermeabilnih Mn- Zn feritov ( p_ = 15000 ), ki bodo vgrajeni v različnih transformatorjih, induktorjih, ter visokoselektivnih filtrih na področj u profes iona lne, prenosne in zabavneelektronike, ter telefonije, zaradi prodora miniaturizacije in prehoda iz analognih na digitalne telefonske sisteme. 4 Reference 1 A. ŽNIDARŠIČ : Vpliv Sn4+ na Mn - Zn ferite za močnostne aplikacije - SD 91, Portorož 2 A. ŽNIDARŠIČ , M. LIMPEL , G. DRAŽIČ , M. DROFENIK, Investigation of povver ferrites - ECERS second conference - Augsburg 1991 - ZRN 3 A. ŽNIDARŠIČ , M. LIMPEL , G. DRAŽIČ , M. DROFENIK,Influence ofTa205 on microstructure in lovv loss povver ferrites - MIEL SD 92 , Portorož 4 A. ŽNIDARŠIČ , M. LIMPEL , M. DROFENIK : Microstructure control in lovv loss povver ferrites - ICF 6 1992 -Tokyo, Japonska 5 A. ŽNIDARŠIČ : Mn - Zn feriti za močnostne aplikacije Prvo slovensko posvetovanje - ELEKTRIČNE N APRA- VE - SPEN 92, Maribor 6 A. ŽNIDARŠIČ, M. LIMPEL, M. DROFENIK - Doping of ferrites for high frequency switching povver supplies European Ceramic society, 3th Conference, September 1993, Madrid 7 A. ŽNIDARŠIČ, M. LIMPEL, M DROFENIK - The effect of additives on magnetic properties and microstructure of Mn-Zn ferrites for high frequency povver supplies, MIEL-SD 93, September 1993, Bled