[发明专利]磁性晶界工程化的铁氧体磁芯材料

说明书

相关申请

本申请要求2011年5月9日提交的共同待决的美国临时申请号61/483,922的优先权以及权益，这是因为所有主题是两项申请所共有的。所述临时申请的披露内容通过引用以其全文结合在此。

技术领域

本发明涉及适合用作（例如）利用开关式电源的设备中的以及其他电子装置和应用中的磁芯（core）组件的材料。更具体地说，本发明涉及一种具有纳米结构的磁性晶界材料的复合材料，该复合材料可以实施用于感应磁芯组件。

背景技术

感应磁芯和磁芯组件在众多的电子应用中使用。如本领域技术人员可以认识到的，一个示例实现方式是开关式电源（SMPS），即在多种电子装置中使用的一种常见电源形式。其他应用包括变压器、电力转换器、发电机、电源调节组件、以及感应器，它们例如可以在电子扫描相控阵（ESPA）和电子战（EW）系统、用于无线和卫星通信的调节组件、雷达系统、电力电子设备、感应装置、以及利用开关式电源的系统、装置或电子设备中使用。

SMPS的实例可以用于解释对磁芯组件施加的一些要求和需求。一般来说，SMPS涉及输入电源在完全开启与完全关闭之间的重复切换。切换速率被测定为频率。如本领域技术人员可以认识到的，流经这种系统的输入功率能够以多种方式来改变，以便产生一个特别希望的输出信号。例如，输入功率可以被调整、转换、循环转换、变换、逆变，与AC到AC电源、AC到DC电源、DC到DC电源、以及DC到DC电源相关联的幅值或相位也可以进行许多其他改变。所有此类改变都能够以特定的方式进行控制以产生具有特别希望的电压和/或电流特征的一个输出功率等级。

通过将能量捕获并储存在一个“磁芯”中，SMSP实现了比其他竞争电源如线性电源更高的效率。磁芯是由一种或多种磁性材料制成并且可以储存由系统产生的能量的一种结构组件（在SMPS系统中并且也在大范围的其他系统中使用）。由于磁性材料拥有高的储存磁场（在此类应用中便捷的且可使用的能量形式）的容量，所以它们被用于制造磁芯。磁芯经常由如软性铁氧体的材料构建成，这是因为这些材料显示出了高磁化强度、低导电率、以及低矫顽力（低剩余磁化强度）。

继续SMPS的实例，SMPS的更高切换频率与许多已知的益处如更高功率效率相关联。增加的切换频率还使SMPS系统大小能缩减，因为更小的切换周期会造成更低的储存要求。换言之，更高切换频率导致在磁芯中诱导（即，储存）磁场的时间的量更短，这使得该磁芯中的磁场变得更小，从而使得该磁芯自身能够缩减大小。

然而，最大切换频率受到磁芯中特定类型的功率损耗的限制，该功率损耗在更高频率下变得更明显。具体地说，随着操作频率增大，功率效率变得高度依赖于“涡流损耗”（即，因磁芯内形成涡流而产生的损耗）。将涡流的存在和效应减到最低典型地成为了改进磁芯特征的最重要因素，对于高频功率铁氧体来说尤其如此。减少因铁氧体材料中出现涡流而产生的磁芯损耗的一种已知方法是增加该磁芯材料的电阻率，因为电阻率总体上限制电流流动，并且尤其限制涡流的流动。本领域技术人员可以认识到，通过限制电子的移动，涡流变得愈加难以诱导，从而限制相关联的损耗。

因此，限制涡流损耗的一些尝试涉及将一种或多种高电阻绝缘材料散布在该磁芯的晶粒材料的晶界处，以便阻止电子流过绝缘体并且由此穿过该磁芯。然而，此类尝试经常无法提供能够在极高频率（例如，大于1MHz）下操作的磁芯。减少涡流损耗的其他努力涉及实施具有高电阻率的铁氧体材料。这些努力都遭遇了类似的缺点：在极高频率下功率损耗更高以及该磁芯材料的总磁导率减小。

在许多情况下，在高频下的令人不满意的性能归因于以下事实：规格需求趋于对磁芯施加矛盾的物理要求。由于磁特性的相互依赖性，同时优化几个磁特性常常是困难的或不可能的。因此，改进一个特性可能导致几个其他特性的破坏。因此，现有的磁芯材料无法满足日益严格的高频要求。

本领域技术人员可以认识到，在将磁芯应用于不利用SMPS的其他系统和应用时，同样存在与在此针对SMPS描述的磁芯相关联的问题。总体来说，现有的感应磁芯无法满足所希望的规格要求，在高频下尤其如此。

发明内容

在本领域中需要一种能够更好地满足高频操作要求的磁芯材料。在本领域中还需要实施这种材料的磁芯组件，如感应磁芯及其装置和系统。本发明涉及解决这些需要的解决方案，除此之外还具有本领域技术人员在阅读本说明书之后将认识到的其他所希望的特征。