以氮化鎵（GaN）為代表的第三代半導(dǎo)體材料，正驅(qū)動(dòng)服務(wù)器電源向高頻化、變頻化迅猛發(fā)展，效率提升的同時(shí)也帶來(lái)前所未有的挑戰(zhàn)：
一方面，磁性元件必須向更扁平化、集成化設(shè)計(jì)演進(jìn)以承載更高的傳輸功率；另一方面，為匹配變頻需求，磁性材料必須在高頻段實(shí)現(xiàn)低損耗。
當(dāng)前磁性材料研發(fā)的核心技術(shù)難點(diǎn)在于高頻下寬溫域穩(wěn)定性不足。現(xiàn)有磁性材料在頻率超過(guò)1MHz時(shí)，損耗會(huì)隨溫度升高而急劇增加。因此，有效控制高頻工況下的損耗溫升，是磁性材料未來(lái)研發(fā)必須突破的關(guān)鍵挑戰(zhàn)。
本期【獨(dú)家報(bào)道】特邀浙江國(guó)石磁業(yè)有限公司工程師商燕彬，分享磁性材料如何解決服務(wù)器電源高頻化帶來(lái)的損耗難題。國(guó)石磁業(yè)聘請(qǐng)車(chē)聲雷教授擔(dān)任技術(shù)研發(fā)顧問(wèn)，依托浙江工業(yè)大學(xué)磁電功能材料研究所，建立了國(guó)內(nèi)領(lǐng)先的實(shí)驗(yàn)中心，正在這一領(lǐng)域開(kāi)展前沿探索。
01 寬頻穩(wěn)定性是磁性材料突破的關(guān)鍵挑戰(zhàn)
車(chē)聲雷教授曾對(duì)《磁性元件與電源》表示，在第三代半導(dǎo)體材料應(yīng)用下，服務(wù)器電源的產(chǎn)品方案發(fā)生了很大的改變。特別是在200kHz至1MHz的頻率范圍內(nèi)，采用了新的變頻控制方式。
當(dāng)負(fù)載發(fā)生變化時(shí)，系統(tǒng)不再通過(guò)調(diào)節(jié)電流來(lái)應(yīng)對(duì)，而是通過(guò)調(diào)整工作頻率來(lái)實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)。結(jié)合第三代半導(dǎo)體材料的使用，這種方案能夠從空載到滿(mǎn)載的整個(gè)工作區(qū)間內(nèi)保持較高的能效水平。
相比之下，傳統(tǒng)半導(dǎo)體材料在這種工作模式下存在一定局限。傳統(tǒng)方案通常采用定頻方式運(yùn)行，并在某一特定頻率下優(yōu)化性能，一旦頻率發(fā)生變化，性能可能偏離最佳狀態(tài)。以往常見(jiàn)的定頻多在100kHz左右，而當(dāng)前設(shè)計(jì)需要在200kHz甚至更高頻率下運(yùn)行。因此，在磁性材料開(kāi)發(fā)過(guò)程中，同時(shí)還要能適應(yīng)變頻的要求，并確保在整個(gè)頻率范圍內(nèi)都能維持良好的性能表現(xiàn)。
功率磁性材料 EE型磁芯 圖源：國(guó)石磁業(yè)
據(jù)商燕彬介紹，目前公司研發(fā)重點(diǎn)主要圍繞適配服務(wù)器電源變頻趨勢(shì)的磁性材料展開(kāi)：一方面是在現(xiàn)有95/96材料基礎(chǔ)上，保持原有100kHz性能的同時(shí)，進(jìn)一步優(yōu)化磁性材料特性，使其在100kHz至300kHz頻率范圍內(nèi)均具備低損耗表現(xiàn)。
另一方面是積極開(kāi)發(fā)適用于500kHz及以上頻率的高頻及超高頻磁性材料。當(dāng)前服務(wù)器電源市場(chǎng)對(duì)第一種磁性材料的需求更為迫切，主流應(yīng)用頻率集中在300kHz以下，500kHz以上磁性材料的市場(chǎng)需求和應(yīng)用規(guī)模仍相對(duì)有限。
理論上，頻率越高越利于電源小型化，但實(shí)踐中頻率超過(guò)500kHz時(shí)，會(huì)顯著加劇電磁干擾（EMI），這需要磁性材料與變壓器廠商協(xié)同優(yōu)化設(shè)計(jì)以控制傳導(dǎo)和輻射。正是受限于當(dāng)前變壓器設(shè)計(jì)對(duì)高頻EMI的控制能力，500kHz以上頻段的應(yīng)用規(guī)模較小。行業(yè)主流仍集中在100kHz至300kHz范圍。
隨著800V電源架構(gòu)的普及和電源功率等級(jí)的不斷提升，電源系統(tǒng)將逐步向更高頻段發(fā)展，這對(duì)高頻磁性材料提出了更高要求。未來(lái)，隨著EMI控制技術(shù)的進(jìn)一步突破，超高頻磁性材料的需求預(yù)計(jì)將顯著增長(zhǎng)。
02 高頻損耗成為磁性材料研發(fā)瓶頸
然而，即使在當(dāng)前主流的100kHz至300kHz頻段，磁性材料性能優(yōu)化也面臨挑戰(zhàn)。軟磁鐵氧體磁芯頻率提升會(huì)顯著增加其剩余損耗。因此，磁性材料研發(fā)向更高頻發(fā)展過(guò)程中，在穩(wěn)固原有100kHz性能的同時(shí)，需重點(diǎn)攻克高頻損耗難題。
對(duì)于服務(wù)器電源，在100kHz至300kHz工作頻率下，業(yè)界對(duì)損耗指標(biāo)有明確要求。例如，在200kHz/125mT或300kHz/100mT條件下，磁性材料在100°C至120°C下的損耗應(yīng)保持相對(duì)穩(wěn)定。實(shí)際應(yīng)用中，更寬的溫穩(wěn)范圍,如至145°C甚至160°C更為理想。
當(dāng)前服務(wù)器電源磁性材料選材聚焦于適配100kHz至300kHz變頻范圍，主流方案為96系和97系鐵氧體磁性材料。例如橫店?yáng)|磁的96A材料，其300kHz高頻損耗已實(shí)現(xiàn)有效控制，達(dá)到較低水平。而國(guó)石目前的磁性材料已能在300kHz下實(shí)現(xiàn)接近原有100kHz定頻應(yīng)用的低損耗水平。
組合型集成磁芯 圖源：國(guó)石磁業(yè)
03晶粒尺寸控制成為降低損耗關(guān)鍵
在磁性材料降低損耗方面，從理論而言，當(dāng)進(jìn)入高頻階段，磁芯的剩余損耗會(huì)占據(jù)主導(dǎo)地位。例如在 100kHz時(shí)，主要考慮的是磁滯損耗與渦流損耗，但當(dāng)磁性材料頻率達(dá)到 200kHz-300kHz甚至500kHz 時(shí)，渦流損耗和剩余損耗會(huì)持續(xù)上升。
此時(shí)，添加劑和配方的影響都相對(duì)減少，不能再單純考慮磁芯的配方，而應(yīng)更多關(guān)注晶粒的微觀結(jié)構(gòu)，尤其是晶粒的尺寸控制。
在高頻應(yīng)用中，磁性材料頻率越高，若磁芯晶粒尺寸較大，渦流損耗與剩余損耗會(huì)顯著增加。
剩余損耗與晶界尺寸相關(guān)，晶粒尺寸更小，則晶界尺寸越小，整體剩余損耗就越低；
而渦流損耗與晶粒大小直接相關(guān)，每個(gè)晶粒會(huì)形成小渦流，晶粒越小，渦流也越小，從微觀結(jié)構(gòu)看，小晶粒對(duì)應(yīng)的渦流點(diǎn)更小，整體損耗隨之降低。
圖源：國(guó)石磁業(yè)
高頻應(yīng)用對(duì)晶粒尺寸要求極為苛刻。傳統(tǒng)磁性材料如高導(dǎo)鐵氧體晶粒常達(dá)十幾至三十微米以上，功率鐵氧體約15微米，金屬磁粉芯可達(dá)數(shù)十至數(shù)百微米。如此大的晶粒尺寸導(dǎo)致高頻性能難以滿(mǎn)足需求。理想的高頻鐵氧體材料需將晶粒尺寸嚴(yán)格控制在5微米以下。
因此，高頻低損耗磁性材料開(kāi)發(fā)的核心已從成分配方轉(zhuǎn)向生產(chǎn)工藝的精益求精，核心目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)細(xì)小均勻的晶粒結(jié)構(gòu)。國(guó)石科技在該領(lǐng)域的實(shí)踐包括：
粉料制備：精確調(diào)控預(yù)燒溫度與砂磨工藝，精細(xì)控制粉料粒徑分布。
燒結(jié)工藝：關(guān)鍵挑戰(zhàn)在于如何在較低溫度下實(shí)現(xiàn)晶粒細(xì)致均勻并維持高產(chǎn)品密度，這確保了磁性材料在目標(biāo)頻段內(nèi)功耗的穩(wěn)定。
國(guó)石科技聯(lián)合浙江工業(yè)大學(xué)磁性材料研究所，系統(tǒng)性?xún)?yōu)化了材料配方、添加劑、預(yù)燒溫度、砂磨粒徑等參數(shù)，并利用鐘罩爐深入研究燒結(jié)溫度與氛圍。
例如，采用特殊磁密化工藝在低溫下實(shí)現(xiàn)高密度，有效抑制晶粒過(guò)度長(zhǎng)大。這一系列工藝創(chuàng)新成功確立了獲得微細(xì)晶粒的可靠方案。
全自動(dòng)制粉生產(chǎn)線 圖源：國(guó)石磁業(yè)
經(jīng)工藝改進(jìn)，國(guó)石97系材料在100kHz-300kHz頻段的晶粒尺寸已控制在5-10微米；其500kHz以上高頻材料晶粒尺寸可達(dá)約5微米，顯著降低了高頻損耗。
然而，500kHz至1MHz以上頻段仍面臨關(guān)鍵瓶頸。在1MHz及更高頻率下，磁性材料損耗尤其在高溫環(huán)境下會(huì)急劇上升。如何使該頻段的損耗隨溫度變化的曲線像100kHz時(shí)一樣平緩，實(shí)現(xiàn)寬溫度范圍內(nèi)的低損耗穩(wěn)定性，是當(dāng)前行業(yè)亟待突破的核心難題。
結(jié)語(yǔ)
在第三代半導(dǎo)體驅(qū)動(dòng)服務(wù)器電源高頻化、變頻化的浪潮中，國(guó)石憑借深厚技術(shù)積累與前瞻布局，展現(xiàn)出核心優(yōu)勢(shì)。
依托國(guó)內(nèi)領(lǐng)先的全自動(dòng)粉料生產(chǎn)線和年產(chǎn)6000噸高端軟磁鐵氧體的強(qiáng)大產(chǎn)能，國(guó)石產(chǎn)品以低損耗、寬溫、高磁特性，精準(zhǔn)契合了100kHz-300kHz乃至更高頻段對(duì)磁性材料性能的嚴(yán)苛需求。其突破性的晶粒精密控制技術(shù)和先進(jìn)工藝，為變頻電源的高效穩(wěn)定運(yùn)行提供了關(guān)鍵支撐。
面向未來(lái)，隨著超高頻應(yīng)用潛力釋放及電子產(chǎn)業(yè)高效小型化需求持續(xù)攀升，掌握核心材料技術(shù)、具備規(guī)模制造與品質(zhì)保障的國(guó)石磁業(yè)，正立于推動(dòng)電子電力升級(jí)、支撐算力爆發(fā)的關(guān)鍵前沿，有望攜手產(chǎn)業(yè)伙伴，共創(chuàng)高效綠色的電子未來(lái)。 |
