共模电感用高磁感纳米晶合金的高频特性与各向异性关联研究

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共模电感由于其优异的抑制电磁干扰的能力而成为高频电源、通信系统、汽车电子和其他电子应用领域不可或缺的组件。由于全球节能减排和宽禁带半导体的引入驱使共模电感向高频化、小型化和高效化的方向发展,要求共模电感软磁材料兼具高磁感的同时,在10 k Hz-1MHz具有良好的高频特性。但是,目前商用纳米晶共模电感磁芯的饱和磁感应强度仅1.2 T,限制了其小型化和抗饱和能力,而高磁感合金存在高频特性差的缺点。因此如何提高高磁感纳米晶材料的高频特性和阐明其高频机制是当前研究的热点和难点。为此,本文选用饱和磁感应强度为1.38 T的Fe76Si13B8Nb1.5Cu1Mo0.5纳米晶合金展开了系统地研究。(1)建立了双各向异性定量关系下的动态磁化模型,并阐明了其与纳米晶高频特性的关联机制。磁场复合热处理可诱导单轴各向异性(Ku)与平均随机各向异性(<K1>)相竞争,有效提高高频特性。相比单一的<K1>,当Ku与<K1>相当时,其纳米晶磁芯在50 k Hz下的高频磁导率提高了41%。单一<K1>的磁化行为以畴壁运动为主导,Ku与<K1>相竞争可形成转动为主,伴随畴壁位移和分裂的磁化行为;且随频率升高,畴壁细化明显,进而可显著降低剩余损耗。(2)建立了闪速应力复合热处理下的微观局域结构的演变模型,并阐明了纳米晶结构和高频特性的关联机制。500 oC闪速应力预处理可析出~5nm团簇,形成了类α-Fe短程有序,降低了类Fe B短程有序区面积。有效提高了Cu团簇数密度,最终可获得高密度细小均匀的纳米晶晶粒(~12.7 nm),有效降低了<K1>,使其10 k Hz下高频磁导率可达63200,增加了62%。(3)建立了电感特性与高磁感纳米晶材料高频特性的关联。磁场复合热处理和闪速应力复合热处理可分别有效提高100 k Hz-1MHz下和1-100 k Hz下的阻抗特性、插入损耗特性和抗饱和特性。建立了电感感量与高磁感纳米晶软磁材料的高频磁导率之间的定量关联,可为小型化和高频化共模电感的优化设计提供理论支撑。
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