隨著矽基電力電子器件逐漸接近其物理極限值，新型半導體材料發展迅猛。新型半導體材料主要是以砷化鎵（GaAs）、氮化鎵（GaN）和碳化矽（SiC）為代表的化合物半導體材料和以石墨烯為代表的碳基材料。作為第三代半導體材料的代表，寬禁帶材料SiC和GaN相對於前兩代半導體材料具有可見光波段的發光特性、高擊穿場強、更好的大功率特性、更加抗高溫和高輻射等優勢， 以更大的禁頻寬度、電子飽和漂移速度更快為特點，製造出的半導體器件具有優異的光電效能、高速、高頻、大功率、耐高溫和高輻射等特徵，在光電器件、微波器件和電力電子器件具有先天優勢。
電子變壓器進一步小型化，受制於磁芯體積，減小磁芯體積為目前縮小磁器件尺寸的關鍵，在電源中，輸出功率與工作頻率，工作磁場成正比，同時功率損耗會造成電源急劇升溫。因此，開發高速低延時通訊和智慧社會領域用高頻低損耗軟磁材料，對於電子元器件的小型化、薄型化有重要的意義。關鍵詞：高頻軟磁材料，小型化，高功率密度 體積、更高效率。除了在拓撲上最佳化外，提高開關頻率，是實現以上要求的一種可行方式，透過使用氮化鎵 GaN的電路，就可以獲得高操作頻率電路，這樣作為電力電子技術領域核心配套元件之一的磁器件的高頻化就被越來越多的提上規劃日程，磁器件是現代高新技術領域中不可或缺的組成部分，並廣泛應用於變頻空調、UPS、光伏發電、新能源汽車、電能質量整治等領域。下游應用需求向高效率、高功率密度發展，電源裝置高頻化能力提升要求選擇合適的磁性材料，即電源裝置必須具有高效能、大功率、大容量、環保性，其核心方向就是透過電源功率開關器件的高頻化能力提升來實現改善和解決。選擇最合適的磁性材料來實現開關電源的大功率高頻化，通常需要在合適的磁導率條件下，具備非常高的飽和磁通密度特性以及儘可能好的高頻損耗特性等特點。國際上眾多大公司如 EPC、TI、Navitas、ONsemicunductor 等都已推出基於 GaN和 SiC 的功率控制晶片和半導體產品，隨著新一代的電子開關管被大量應用，開關電源系統的頻率必將由幾百 kHz躍升至 MHz 以上。電子變壓器進一步小型化，還受制於磁芯體積，減小磁芯體積是目前電子變壓器縮小尺寸的另一途徑，特別是在大功率電源模組中。而如下圖示，磁芯損耗與工作頻率，工作磁場成正比，且高的功率損耗會造成電源模組溫度急劇升高，因此在更高頻下（500kHz 以上）具有低損耗高 Bs 特性的材料成為了各家磁材廠開發的熱點。隨著矽基電力電子器件逐漸接近其物理極限值，新型半導體材料發展迅猛。新型半導體材料主要是以砷化鎵（GaAs）、氮化鎵（GaN）和碳化矽（SiC）為代表的化合物半導體材料和以石墨烯為代表的碳基材料。作為第三代半導體材料的代表，寬禁帶材料 SiC 和 GaN 相對於前兩代半導體材料具有可見光波段的發光特性、高擊穿場強、更好的大功率特性、更加抗高溫和高輻射等優勢， 以更大的禁頻寬度、電子飽和漂移速度更快為特點，製造出的半導體器件具有優異的光電效能、高速、高頻、大功率、耐高溫和高輻射等特徵，在光電器件、微波器件和電力電子器件具有先天優勢。經過多年的發展和政府推廣，GaN 基的 LED 已經發展成熟，但作為微波通訊器件和電力電子器件，還遠遠沒有廣泛被應用。GaN 基的微波通訊器件具有優於 GaAs的高頻特性和微波特性，隨著未來5G的大面積鋪開，GaAS 將不能滿足這種高頻特性需求，GaN 將會大規模商用。作為電力電子器件，GaN 相對於 SiC 具有相對低的高頻損耗優勢，但是還不適合大功率下執行，所以目前 GaN只被廣泛應用於低功率的如白色家電、電動汽車等領域的電源 ；而 SiC 功率器件經過多年的發展，在 SBD 器件中的應用技術已經成熟，在 MOSFET 上測試效能突出，在IGBT 的應用被多家公司大量應用，混合或全 SiC 功率模組已全面實現商業化。隨著半導體高頻器件的成熟化，為使用者提供體積更小、更加節約能源的電子裝置成為可能，開關電源要實現更小1662021.10·磁性元件與電源2021.10167·磁性元件與電源徵稿郵箱：[email protected]軟磁複合材料種類多樣，能滿足各種頻率下電子元器件的設計需求，是目前得到電子業界公認的可調節效能最好的磁性材料，其或者具有高磁導率、低鐵損、低矯頑力等特點，或者具有高飽和磁通密度、良好的頻率特性、低損耗等優點。軟磁材料發展覆蓋了鐵氧體軟磁、合金磁粉芯軟磁、非晶 / 奈米晶軟磁等多個領域，市場應用對軟磁材料總的需求趨勢是 ：寬溫、高頻、高 Bs、低損耗、高導熱係數、高居里溫度，工作時隨溫度變化效能變化小且對模組化封裝壓力不敏感的軟磁磁粉芯材料越來越被磁材廠家重視。總體要求 ：材料設計使用頻率為 500kHz~1MHz，材料飽和磁化強度（Bs）最高設計值大於 1.1T，材料損耗要求無限接近鐵氧體，以滿足電子器件小型化高功率密度的述求。近幾年，橫店東磁在軟磁鐵氧體材料研究中積累了相當豐富的經驗，超高頻的新一代低損耗軟磁鐵氧體材料效能達到了 ：Pv ≤ 1200kW/m3（5MHz/30mT，25-120 °C），Bs（100°C）≥ 430mT，μi（25°C）=750±25%最佳化材料的配方，細化晶粒 ；高效能鐵氧體材料配方的設計、燒結助劑的最佳化、高分散的超細鐵氧體料漿的製備、最優預燒及燒結引數的確定。橫店東磁對軟磁磁粉芯材料的研究和產業化也取得長足發展，目前在高頻材料開發和商品化上也取得了重大進展，突破目標為：Pv ＜ 4000mW/cm3（1MHz/100mT），磁導率 μ ：26~60，直流偏置特性 DC-Bias ：L100Oe/L0 ＞ 53%（@100Oe 外磁場，磁導率 μ=60），材料 Bs＞ 1.1T。高效能合金磁粉的配方設計、超細合金磁粉的製備、最優絕緣配方的調整及高密度成型引數的確定 ；鐵氧體材料與合金磁粉的複合 ；高頻、低損耗軟磁材料為目前市場急需的材料，尤其目前 500kHz~1MHz 高頻材料受到市場高度關注，目前鐵氧體高頻材料在伺服器、模組電源中的應用還是佔據了主導位置，因為其高頻下超低的損耗是磁粉芯材料無法達到的，但是隨著合金磁粉芯材料高頻損耗的不斷突破，加上其天生優異的熱傳導能力，高頻超低損耗合金磁粉芯材料必將成為未來市場的寵兒，特別是在目前國產晶片控制電路不穩定的情況下，高頻磁粉芯電感比高頻鐵氧體電感能抵禦更大範圍的電流波動。合金磁粉芯雖然在高頻特性上已經有所突破，但是如何實現各種功率電感用異形合金磁芯的量產是又一大難題，我們知道現有的高頻電感用的是各種 UI、EE、EI、EQ型磁芯，相對於傳統的環形，成型難度不可同日而語，特別是高頻低損耗的合金材料需要更細的合金粉末和相對更少的非磁性絕緣包覆劑，所以對於高頻低損耗合金材料的絕緣包覆裝置和成型裝置的選擇就顯得至關重要，直接關係到最終效能的實現和量產的效率、成本，目前橫店東磁採用的高效絕緣包覆烘乾一體機和高速衝壓成型技術處於業界領先水平。結語：隨著 5G 應用和雲計算對高速運算和大型資料交換的需求不斷增長，軟磁高頻低損耗材料必將迎來一個大發展，業界重點要突破的是鐵氧體高頻低損耗材料的散熱、抗飽和、耐封裝應力問題和合金磁粉芯材料的高頻損耗及量產成本問題。但是隨著國家和企業對科技創新的不斷加大投入，相信軟磁高頻材料肯定可以在助推未來 5G 通訊及智慧社會領域大放異彩。
