高频电力电子用新一代层状纳米晶磁芯：磁性能与热稳定性的协同提升

为解决高频电力电子中传统软磁材料（如硅钢）在MHz频段下涡流损耗高、热稳定性差的问题，台湾研究团队通过优化Fe-Si-B非晶合金退火工艺并引入表面改性镍锌铁氧体(NZF)纳米颗粒，开发出兼具低矫顽力(Hc)、高饱和磁化强度(Bs)和优异层间电阻率的层状纳米晶磁芯。该材料在DC偏压下仍保持电感稳定性，为宽禁带半导体(WBG)器件配套磁元件提供了创新解决方案。

　　

随着碳化硅(SiC)和氮化镓(GaN)等宽禁带半导体(WBG)技术的普及，电力电子器件的开关频率已突破数百kHz，但传统硅钢磁芯在高频下的涡流损耗问题日益凸显。这就像给跑车装上自行车轮胎——半导体性能的飞跃被磁性材料的滞后所拖累。更棘手的是，高频工况下磁芯发热会进一步恶化性能，形成恶性循环。为此，材料科学家将目光投向铁基纳米晶合金，这类材料通过α-Fe(Si)纳米晶与非晶基体的复合结构，理论上能同时实现高饱和磁化强度(B_s)和低矫顽力(H_c)。然而，如何将脆性纳米晶带材加工成层状磁芯，并保持高频下的磁通连续性，仍是悬而未决的难题。

台湾的研究团队在《Journal of Magnetism and Magnetic Materials》发表的研究中，提出了一种创新解决方案。他们采用Fe-Si-B非晶合金带材为基底，通过精确控制的退火工艺诱导纳米晶析出，再结合表面改性镍锌铁氧体(NZF)纳米颗粒的旋涂层压技术，成功制备出高性能层状磁芯。研究过程中主要运用了X射线衍射(XRD)分析结晶相变、超导量子干涉仪(SQUID)测定磁性能，以及热重分析优化退火参数等关键技术。

材料选择与表征
Fe-Si-B非晶合金带材(Fe 94.36%, Si 4.63%, B 0.55%)经XRF验证成分，其非晶特性为后续可控纳米晶化奠定基础。

退火温度对结晶的影响
XRD显示在特定退火温度下形成30-55nm的α-Fe(Si)纳米晶(立方FeSi相)，该结构显著降低H_c并提升B_s，证实纳米晶尺寸与磁性能的强关联性。

NZF纳米颗粒的整合
通过钛酸酯偶联剂表面改性的NZF纳米颗粒，不仅提高层间电阻率(抑制涡流)，还通过磁通引导作用增强高频响应，使磁芯在MHz频段仍保持稳定性能。

综合性能提升
最终获得的层状磁芯展现出三大优势：核心损耗降低50%以上、DC偏压下电感波动<5%、谐振频率范围扩展至GHz级别，这些特性使其特别适合无线充电系统和高频变压器应用。

该研究的意义不仅在于材料突破，更建立了"纳米晶结构调控-界面工程-磁性能优化"的完整技术路线。Kuang-Heng Wan和Hsing-I Hsiang等研究者证明，通过协同优化结晶动力学与层间介电特性，可打破传统软磁材料的频率限制。这种层状纳米晶磁芯为SiC/GaN器件提供了理想的磁性配套，有望推动5G基站电源、新能源汽车充电模块等关键设备的微型化与能效提升。正如研究者所言，这标志着"从材料到器件"的高频磁技术迈入新纪元。