WO2004000755A1 - Ferrites a faibles pertes et a permeabilite reglable - Google Patents

Ferrites a faibles pertes et a permeabilite reglable Download PDF

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Definitions

  • the present invention relates to ferrite materials used at high, very high and ultra high frequency (between 0.5 MHz and 600 MHz) and more particularly materials having low magnetic losses for high applied powers and adjustable permeabilities ( ⁇ r between 100 and 1000).
  • the particularities of these materials are a low sintering temperature (T ⁇ 1000 ° C), an adjustable permeability between 100 and 1000, low magnetic losses at high, very high and ultra high frequency and a reduced cost of raw materials.
  • the ferrites described in the present invention are particularly suitable for producing low-loss magnetic cores for applications with high power density (10 to 100 W / cm 3 ), very wide frequency band applications or applications of integrated electronics in the frequency range of radiocommunications.
  • Figure 1 shows the typical performance of a commercial nickel-zinc ferrite optimized for high, very high and ultra high frequency operations. It represents the variation of the total losses measured at 1.5 MHz as a function of the induction and at room temperature. The measurement is carried out on a toroid wound using an enameled copper wire. The initial static permeability of the ferrite is equal to 800. The chemical composition of this ferrite is Nio, 35Zno, 65 e 2 0 4 .
  • the present invention proposes in this context a new family of ferrite material having low magnetic losses both at low induction level and at high induction level (from 0.1 mT to 50 mT) and this at high, very high or even ultra frequency (of the order of 0.5 to 600 MegaHertz) and in which a proportion of nickel of the ferrites of the prior art is replaced by a proportion of magnesium and copper.
  • the subject of the invention is a ferrite material of the spinel type based on nickel and zinc, characterized in that it corresponds to the following chemical formula:
  • the proportion y of magnesium can be between approximately 0.01 and 0.05.
  • the magnetic core proposed in the invention is used to make inductors or transformers comprising a core wound with in particular enameled copper or the coaxial conductor.
  • the inductors or transformers according to the invention can be used in frequency ranges between around 0.5 and 600 MegaHertz.
  • the invention also relates to a switching power supply where an electrical energy converter using an inductor or a transformer according to the invention.
  • the invention finally relates to a deflection ring used in cathode-ray tube screens (comprising a magnetic core according to the invention operating in a frequency range of about 10 to 600
  • FIG. 1 shows the variation of the total losses measured at 1.5 MegaHertz, as a function of the induction at room temperature of a wound transformer comprising a conventional ferrite of the prior art of chemical formula
  • the ferrite material according to the invention corresponds to the chemical formula Ni x MgyZn z Cu w Co ⁇ Fe 2 ⁇ ⁇ 0.
  • This material can be obtained according to a process of preparation of the known art and in particular described in patent EP 0800183.
  • This process mainly includes the following steps:
  • This operation has the dual purpose of mixing the different constituents and reducing their grain size, thus making them more reactive.
  • This heat treatment is to partially form the desired crystalline phase. This operation can typically be carried out between 750 ° C and 850 ° C depending on the desired nature of the ferrite material according to the invention, in air for approximately 2 hours.
  • This operation is made necessary by the magnification of the grains of powder induced by the chamotte. It is carried out under conditions similar to those of the first grinding.
  • this heat treatment is the complete formation of the crystalline phase sought as well as the densification of the polycrystalline ceramic.
  • this treatment can be carried out at temperatures in the region of 900 ° C. to 1000 ° C., with a plateau time ranging from 0.5 hours to 15 hours.
  • ferrites with variable proportions of magnesium have been synthesized. More specifically, formulations have been synthesized by varying the amount of magnesium in substitution and for a constant proportion of copper with variable Ni / Zn ratios.
  • Table I gives the detail of the composition in moles of oxide constituting the ferrites which are the subject of the patent which could advantageously be used in replacement of a commercial ferrite with permeability equal to 800. It should be noted that the gain on the cost of raw materials obtained thanks to the incorporation of copper and magnesium to replace nickel varies from a few percentages to almost 25 percent.
  • the permeability is measured on a toric sample using a coaxial measurement cell and an HP 4291A impedance meter.
  • the total losses are measured using a wattmeter, on a toric sample which is wound with enameled copper wire.
  • the initial permeabilities recorded at low frequency (called static permeability) are expressed in relative value.
  • the total losses are measured at 1.5 MegaHertz and for an induction of 25 mTesta, they are expressed in mW / cm 3 . ⁇

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Abstract

L'invention concerne une nouvelle famille de matériau ferrite présentant des faibles pertes magnétiques aussi bien à bas niveau d'induction qu'à fort niveau d'induction (de 0,1 mTesla à 50 mTesla). Pour cela une proportion de nickel des ferrites de l'art connu est remplacée par une proportion de magnésium et de cuivre. Cette nouvelle famille répond à la formule chimique suivante: NixMgyZnzCuwCoɛFe2±deltaO4 avec 2(x+y+z+w+ɛ)+3(2±delta)=8; delta <= 0,05; 0,005 <= ɛ <= 0,1; 0,05 <= z <= 0,6; 0,005 < y < 0,1; 0,1 < W < 0,25.APPLICATIONS: Inductance, Transformateur.

Description

FERRITES A FAIBLES PERTES ET A PERMEABILITE REGLABLE
La présente invention concerne des matériaux ferrites utilisés à haute, très haute et ultra haute fréquence (entre 0.5 MHz et 600 MHz) et plus particulièrement des matériaux présentant de faibles pertes magnétiques pour des puissances appliquées importantes et des perméabilités ajustables (μr compris entre 100 et 1000). Les particularités de ces matériaux sont une faible température de frittage (T < 1000° C), une perméabilité ajustable entre 100 et 1000, de faibles pertes magnétiques à haute, très haute et ultra haute fréquence et un coût des matières premières réduit. Les ferrites décrits dans la présente invention sont particulièrement adaptés pour la réalisation de noyaux magnétiques faibles pertes pour des applications de forte puissance volumiques (10 à 100 W/cm3), des applications très large bande de fréquence ou des applications d'électronique intégrée dans la gamme de fréquence des radiocommunications.
Actuellement, le développement des matériels électroniques, tant dans les applications civiles que militaires, est lié à la miniaturisation des composants passifs et actifs. Parmi ces composants, les plus volumineux sont les composants passifs qui réalisent les fonctions résistance, inductance et capacité, et plus particulièrement les composants passifs inductifs ou inductances. Dans les applications « fort niveau » qui mettent en œuvre de fortes puissances électriques, les pertes du composant inductif sont déterminées essentiellement par les pertes magnétiques dites pertes totales du matériau magnétique utilisé pour la réalisation du noyau. Dans la gamme des hautes fréquences (f > 1,5 MHz), on utilise pour ces applications des ferrites de nickel-zinc en raison de leurs propriétés magnétiques adaptées et de leur résistivité électrique élevée.
Selon l'art connu, les ferrites « faibles pertes » destinés aux applications haute fréquence (f > 1 MHz) sont généralement des ferrites de nickel-zinc de formule chimique NixZnyFe2θ4 avec x + y = 1. Ils sont utilisés comme noyaux magnétiques de formes variées (tores, pots, bâtonnets, etc.) permettant la réalisation d'inductances ou de transformateurs bobinés, la partie bobinage étant réalisée à l'aide de fil de cuivre émaillé ou de conducteur coaxial.
Les performances de ces composants sont souvent limitées par les pertes totales du ferrite qui de ce fait déterminent les dimensions du composant et la puissance électrique incidente admissible.
Pour réaliser des transformateurs qui couvrent une large gamme de fréquence, plusieurs conditions sont nécessaires. Tout d'abord, il est indispensable de pouvoir disposer de matériau magnétique à faibles pertes de sorte à ce que le transformateur ne s'échauffe pas trop et à ce que son rendement soit satisfaisant, typiquement supérieur à 90%. Ensuite il faut que l'impédance côté primaire soit grande devant l'impédance caractéristique, le plus souvent 50 Ohms. Cela impose une inductance minimale qui sera d'autant plus grande que la fréquence de fonctionnement sera basse car l'impédance d'une inductance est égale à Lω où ω = 2πf. Pour obtenir une inductance élevée, il est possible soit d'utiliser un matériau à perméabilité élevée, soit d'utiliser un nombre de spires important. Lorsque la fréquence de fonctionnement est très élevée (f > 100 MHz), un nombre de spires important devient problématique car cela provoque des résonances indésirables dues au fait que la longueur d'onde λ (λ = c/f, c vitesse de la lumière) tend à se rapprocher de la longueur totale du bobinage. De ce fait, plus la plage de fréquence sera étendue et plus on sera amené à utiliser un noyau magnétique à perméabilité élevée. Pratiquement, on utilisera un matériau ayant une perméabilité d'environ 800 pour un fonctionnement ultra large bande couvrant les gammes des hautes, très hautes et ultra hautes fréquences (1 ,5 à 600 MHz). Pour des gammes moins étendues, on choisira :
- μ = 150 à 800 pour la gamme HF (1 ,5 à 30 MHz)
- μ = 100 à 150 pour la gamme V/UHF (30 à 600 MHz)
La Figure 1 indique les performances typiques d'un ferrite nickel-zinc commercial optimisé pour des fonctionnements à haute, très haute et ultra haute fréquence. Elle représente la variation des pertes totales mesurées à 1 ,5 MHz en fonction de l'induction et à température ambiante. La mesure est effectuée sur un tore bobiné à l'aide d'un fil de cuivre émaillé. La perméabilité initiale statique du ferrite vaut 800. La composition chimique de ce ferrite est Nio,35Zno,65 e204.
La Figure 2 représente la variation des pertes totales du même matériau en fonction de la fréquence et pour un produit fréquence. induction égal à 37,5 MHz.mT, conditions correspondant au fonctionnement des transformateurs large bande. Il faut noter que les pertes diminuent lorsqu'on augmente la fréquence, car l'induction dans le matériau diminue. Les pertes totales en fonction de la fréquence et de l'induction peuvent être estimées selon la relation : p (f, B) = cste.Bα fβ Où a > 2 et β > 1. Elles diminuent donc lorsque la fréquence augmente si le produit B.f reste fixé.
La Figure 3 représente la variation de la perméabilité initiale (axe de gauche) ainsi que les pertes totales volumiques mesurées à 1 ,5 MHz et 25 mT en fonction du taux molaire de magnésium pour des ferrites de composition chimique NiχMgyZnχCuo,2Cθo,o24Fe2θ4 avec x+y/2 = 0,388.
La présente invention propose dans ce contexte une nouvelle famille de matériau ferrite présentant de faibles pertes magnétiques aussi bien à bas niveau d'induction qu'à fort niveau d'induction (de 0,1 mT à 50 mT) et ce à haute, très haute voire ultra fréquence (de l'ordre de 0,5 à 600 MégaHertz) et dans lequel une proportion de nickel des ferrites de l'art antérieur est remplacée par une proportion de magnésium et de cuivre. Ceci permet de diminuer la proportion d'oxyde de nickel dans les matières premières de synthèse qui est un oxyde coûteux et toxique. Plus précisément l'invention a pour objet un matériau ferrite de type spinelle à base de nickel et de zinc caractérisé en ce qu'il répond à la formule chimique suivante :
NixMgyZnzCUwCoεFe2±δθ4 avec 2 (x + y + z + w + ε) + 3 (2 ± δ) = 8 δ < 0,05 0,005 < ε < 0,1 0,05 < z < 0,6 0,005 < y < 0,1 0,1 < w < 0,25 Avantageusement la proportion y en magnésium peut être comprise entre environ 0,01 et 0,05.
Avantageusement le noyau magnétique proposé dans l'invention est utilisé pour réaliser des inductances ou des transformateurs comprenant un noyau bobiné avec notamment du cuivre émaillé ou du conducteur coaxial.
Typiquement les inductances ou les transformateurs selon l'invention peuvent être utilisés dans des gammes de fréquences comprises entre environ 0,5 et 600 MégaHertz.
L'invention a encore pour objet une alimentation à découpage où un convertisseur d'énergie électrique utilisant une inductance ou un transformateur selon l'invention. L'invention a enfin pour objet une bague de déflexion utilisée dans les écrans à tube cathodique (comprenant un noyau magnétique selon l'invention fonctionnant dans une gamme de fréquence d'environ 10 à 600
KiloHertz).
L'invention sera mieux comprise et d'autres avantages apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre donnée à titre non limitatif et grâce aux figures annexées parmi lesquelles :
- la Figure 1 représente la variation des pertes totales mesurées à 1 ,5 MégaHertz, en fonction de l'induction à température ambiante d'un transformateur bobiné comprenant un ferrite classique de l'art antérieur de formule chimique
Nio,35Zn0,65Fe2θ4 ;
- la Figure 2 représente la variation des pertes totales en fonction de la fréquence, à température ambiante pour le même ferrite Ni0,35 no,65Fe204 ; - La Figure 3 représente la variation de la perméabilité initiale
(axe de gauche) ainsi que les pertes totales volumiques mesurées à 1 ,5 MHz et 25 mT en fonction du taux molaire de magnésium pour des ferrites de composition chimique NixMgyZnxCuo,2Cθo,o24Fe2θ4 avec x+y/2 = 0,388. De manière générale le matériau ferrite selon l'invention répond à la formule chimique NixMgyZnzCuwCoεFe2±δ0 .
Ce matériau peut être obtenu selon un procédé d'élaboration de l'art connu et notamment décrit dans le brevet EP 0800183.
Ce procédé comprend principalement les étapes suivantes :
Pesée des matières premières suivantes
Oxyde de nickel (NiO), oxyde de zinc (ZnO), oxyde de fer (Fe203) oxyde de cuivre (CuO), oxyde de cobalt (CO3O4) et oxyde de magnésium (MgO).
Lors de la pesée de l'oxyde de fer, il est nécessaire de compenser l'apport de fer dû à l'usure des éléments de broyage qui sont généralement des billes ou des barreaux d'acier.
Broyage des matières premières
Cette opération a pour double but de mélanger les différents constituants et de réduire leur taille de grains, les rendant ainsi plus réactifs.
Chamottage de la poudre
Ce traitement thermique a pour but de former en partie la phase cristalline recherchée. Cette opération peut typiquement être réalisée entre 750°C et 850°C selon la nature recherchée du matériau ferrite selon l'invention, sous air durant environ 2 heures.
Rebroyage du produit de chamottage
Cette opération est rendue nécessaire par le grossissement des grains de poudre induit par le chamottage. Elle est effectuée dans des conditions analogues à celles du premier broyage.
Pressage de la poudre
Il est réalisé à l'aide de moules en acier et de presses mécaniques axiales pouvant délivrer des pressions de l'ordre de 1t/cm2.
Frittage Ce traitement thermique a pour but la formation complète de la phase cristalline recherchée ainsi que la densification de la céramique polycristalline. Pour les matériaux ferrites faisant l'objet de la présente invention, ce traitement peut être réalisé à des températures voisines de 900° C à 1000° C, avec un temps de palier allant de 0,5 heure à 15 heures.
Pour valider le concept de l'invention qui propose de nouveaux matériaux à perméabilité ajustable et faibles pertes, permettant d'élaborer des transformateurs fonctionnant sur une large gamme de fréquence, des ferrites avec des proportions variables en magnésium ont été synthétisés. Plus précisément, des formulations ont été synthétisées en faisant varier la quantité de magnésium en substitution et pour une proportion de cuivre constante avec des rapports Ni/Zn variables.
Le Tableau I ci-dessous donne le détail de la composition en mole d'oxyde constitutifs des ferrites faisant l'objet du brevet que l'on pourrait utiliser avantageusement en remplacement d'un ferrite commercial de perméabilité égale à 800. Il est à noter que le gain sur le coût des matières premières obtenu grâce à l'incorporation du cuivre et du magnésium en remplacement du nickel varie de quelques pourcentages à presque 25 pourcent.
TABLEAU
Figure imgf000008_0001
A partir des différents ferrites ainsi synthétisés, la perméabilité est mesurée sur un échantillon torique en utilisant une cellule de mesure coaxiale et un impédancemètre HP 4291A. Les pertes totales sont mesurées à l'aide d'un wattmètre, sur un échantillon torique que l'on bobine avec du fil de cuivre élaillé.
Pour cela le frittage des matériaux a été effectué sous oxygène, dans le but d'amoindrir les pertes comme cela est connu de l'art antérieur. L'ensemble des performances obtenu est récapitulé dans le Tableau II ci-joint. La densité du ferrite obtenu est également indiquée, elle représente un facteur intéressant pour l'utilisation des ferrites (une forte densité est généralement recherchée).
Les perméabilités initiales relevées à basse fréquence (appelée perméabilité statique) sont exprimées en valeur relative. Les pertes totales sont mesurées à 1 ,5 MégaHertz et pour une induction de 25 mTesta, elles sont exprimées en mW/cm3. δ
TABLEAU
Figure imgf000009_0001
Il ressort du tableau II, qu'en présence de magnésium, les pertes diminuent notablement et surtout pour des proportions en y voisines de 0,01 à 0,02. Par ailleurs la perméabilité statique augmente également avec la présence du magnésium dans le ferrite. La densité du matériau ferrite obtenu est également tout-à-fait satisfaisante en présence de magnésium.

Claims

REVENDICATIONS
1. Matériau ferrite de type spinelle à base de nickel et de zinc caractérisé en ce qu'il répond à la formule chimique suivante : NiχMgyZnzCuwCoεFe2+δθ4 avec
2 (x + y + z + w + ε) + 3 (2 + δ) = 8 δ < 0,05 0,005 < ε ≤ 0,1 0,05 < z < 0,6 0,005 < y < 0,1
0, 1 < w < 0,25
2. Matériau ferrite de type spinelle selon la revendication 1 , caractérisé en ce que y est compris entre environ 0,01 et 0,05.
3. Noyau magnétique pour applications à hautes fréquences supérieures à environ 1 MégaHertz, caractérisé en ce qu'il comprend un matériau ferrite selon l'une des revendications 1 ou 2.
4. Inductance caractérisée en ce qu'elle comprend un noyau magnétique selon la revendication 3.
5. Inductance selon la revendication 4, caractérisée en ce qu'elle fonctionne pour une induction comprise entre environ 0 et 50 mTesta dans une gamme de fréquence de l'ordre de 0,5 à 600 MégaHertz.
6. Transformateur comprenant un noyau bobiné, caractérisé en ce que le noyau est selon la revendication 3.
7. Transformateur selon la revendication 6, caractérisé en ce que le bobinage est réalisé en cuivre émaillé ou en argent ou en conducteur coaxial.
8. Transformateur selon l'une des revendications 6 ou 7, caractérisé en ce qu'il est utilisé dans une gamme de fréquence de l'ordre de 0,5 à 3 MégaHertz.
9. Transformateur large bande selon l'une des revendications 6 ou 7, caractérisé en ce qu'il est utilisé dans une gamme de fréquence de l'ordre de 0,5 à 600 MégaHertz.
10. Alimentation à découplage caractérisé en ce qu'elle comprend une inductance ou un transformateur selon l'une des revendications 3 ou 4.
11. Bague de déflexion pour tube cathodique, caractérisée en ce qu'elle comprend un noyau magnétique selon la revendication 3, utilisé dans une gamme de fréquence d'environ 10 à 500 KiloHertz.
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