磁性材料如何破解服务器电源高频损耗难题？

以氮化镓（GaN）为代表的第三代半导体材料，正驱动服务器电源向高频化、变频化迅猛发展，效率提升的同时也带来前所未有的挑战：

一方面，磁性元件必须向更扁平化、集成化设计演进以承载更高的传输功率；另一方面，为匹配变频需求，磁性材料必须在高频段实现低损耗。

当前磁性材料研发的核心技术难点在于高频下宽温域稳定性不足。现有磁性材料在频率超过1MHz时，损耗会随温度升高而急剧增加。因此，有效控制高频工况下的损耗温升，是磁性材料未来研发必须突破的关键挑战。

本期【独家报道】特邀浙江国石磁业有限公司工程师商燕彬，分享磁性材料如何解决服务器电源高频化带来的损耗难题。国石磁业聘请车声雷教授担任技术研发顾问，依托浙江工业大学磁电功能材料研究所，建立了国内领先的实验中心，正在这一领域开展前沿探索。

01 宽频稳定性是磁性材料突破的关键挑战

车声雷教授曾对《磁性元件与电源》表示，在第三代半导体材料应用下，服务器电源的产品方案发生了很大的改变。特别是在200kHz至1MHz的频率范围内，采用了新的变频控制方式。

当负载发生变化时，系统不再通过调节电流来应对，而是通过调整工作频率来实现调节。结合第三代半导体材料的使用，这种方案能够从空载到满载的整个工作区间内保持较高的能效水平。

相比之下，传统半导体材料在这种工作模式下存在一定局限。传统方案通常采用定频方式运行，并在某一特定频率下优化性能，一旦频率发生变化，性能可能偏离最佳状态。以往常见的定频多在100kHz左右，而当前设计需要在200kHz甚至更高频率下运行。因此，在磁性材料开发过程中，同时还要能适应变频的要求，并确保在整个频率范围内都能维持良好的性能表现。

功率磁性材料 EE型磁芯 图源：国石磁业

据商燕彬介绍，目前公司研发重点主要围绕适配服务器电源变频趋势的磁性材料展开：一方面是在现有95/96材料基础上，保持原有100kHz性能的同时，进一步优化磁性材料特性，使其在100kHz至300kHz频率范围内均具备低损耗表现。

另一方面是积极开发适用于500kHz及以上频率的高频及超高频磁性材料。当前服务器电源市场对第一种磁性材料的需求更为迫切，主流应用频率集中在300kHz以下，500kHz以上磁性材料的市场需求和应用规模仍相对有限。

理论上，频率越高越利于电源小型化，但实践中频率超过500kHz时，会显著加剧电磁干扰（EMI），这需要磁性材料与变压器厂商协同优化设计以控制传导和辐射。正是受限于当前变压器设计对高频EMI的控制能力，500kHz以上频段的应用规模较小。行业主流仍集中在100kHz至300kHz范围。

随着800V电源架构的普及和电源功率等级的不断提升，电源系统将逐步向更高频段发展，这对高频磁性材料提出了更高要求。未来，随着EMI控制技术的进一步突破，超高频磁性材料的需求预计将显著增长。

02 高频损耗成为磁性材料研发瓶颈

然而，即使在当前主流的100kHz至300kHz频段，磁性材料性能优化也面临挑战。软磁铁氧体磁芯频率提升会显著增加其剩余损耗。因此，磁性材料研发向更高频发展过程中，在稳固原有100kHz性能的同时，需重点攻克高频损耗难题。

对于服务器电源，在100kHz至300kHz工作频率下，业界对损耗指标有明确要求。例如，在200kHz/125mT或300kHz/100mT条件下，磁性材料在100°C至120°C下的损耗应保持相对稳定。实际应用中，更宽的温稳范围,如至145°C甚至160°C更为理想。

当前服务器电源磁性材料选材聚焦于适配100kHz至300kHz变频范围，主流方案为96系和97系铁氧体磁性材料。例如横店东磁的96A材料，其300kHz高频损耗已实现有效控制，达到较低水平。而国石目前的磁性材料已能在300kHz下实现接近原有100kHz定频应用的低损耗水平。

组合型集成磁芯 图源：国石磁业

03晶粒尺寸控制成为降低损耗关键

在磁性材料降低损耗方面，从理论而言，当进入高频阶段，磁芯的剩余损耗会占据主导地位。例如在 100kHz时，主要考虑的是磁滞损耗与涡流损耗，但当磁性材料频率达到 200kHz-300kHz甚至500kHz 时，涡流损耗和剩余损耗会持续上升。

此时，添加剂和配方的影响都相对减少，不能再单纯考虑磁芯的配方，而应更多关注晶粒的微观结构，尤其是晶粒的尺寸控制。

在高频应用中，磁性材料频率越高，若磁芯晶粒尺寸较大，涡流损耗与剩余损耗会显著增加。

剩余损耗与晶界尺寸相关，晶粒尺寸更小，则晶界尺寸越小，整体剩余损耗就越低；

而涡流损耗与晶粒大小直接相关，每个晶粒会形成小涡流，晶粒越小，涡流也越小，从微观结构看，小晶粒对应的涡流点更小，整体损耗随之降低。

图源：国石磁业

高频应用对晶粒尺寸要求极为苛刻。传统磁性材料如高导铁氧体晶粒常达十几至三十微米以上，功率铁氧体约15微米，金属磁粉芯可达数十至数百微米。如此大的晶粒尺寸导致高频性能难以满足需求。理想的高频铁氧体材料需将晶粒尺寸严格控制在5微米以下。

因此，高频低损耗磁性材料开发的核心已从成分配方转向生产工艺的精益求精，核心目标是实现细小均匀的晶粒结构。国石科技在该领域的实践包括：

粉料制备：精确调控预烧温度与砂磨工艺，精细控制粉料粒径分布。

烧结工艺：关键挑战在于如何在较低温度下实现晶粒细致均匀并维持高产品密度，这确保了磁性材料在目标频段内功耗的稳定。

国石科技联合浙江工业大学磁性材料研究所，系统性优化了材料配方、添加剂、预烧温度、砂磨粒径等参数，并利用钟罩炉深入研究烧结温度与氛围。

例如，采用特殊磁密化工艺在低温下实现高密度，有效抑制晶粒过度长大。这一系列工艺创新成功确立了获得微细晶粒的可靠方案。

全自动制粉生产线 图源：国石磁业

经工艺改进，国石97系材料在100kHz-300kHz频段的晶粒尺寸已控制在5-10微米；其500kHz以上高频材料晶粒尺寸可达约5微米，显著降低了高频损耗。

然而，500kHz至1MHz以上频段仍面临关键瓶颈。在1MHz及更高频率下，磁性材料损耗尤其在高温环境下会急剧上升。如何使该频段的损耗随温度变化的曲线像100kHz时一样平缓，实现宽温度范围内的低损耗稳定性，是当前行业亟待突破的核心难题。

结语

在第三代半导体驱动服务器电源高频化、变频化的浪潮中，国石凭借深厚技术积累与前瞻布局，展现出核心优势。

依托国内领先的全自动粉料生产线和年产6000吨高端软磁铁氧体的强大产能，国石产品以低损耗、宽温、高磁特性，精准契合了100kHz-300kHz乃至更高频段对磁性材料性能的严苛需求。其突破性的晶粒精密控制技术和先进工艺，为变频电源的高效稳定运行提供了关键支撑。

面向未来，随着超高频应用潜力释放及电子产业高效小型化需求持续攀升，掌握核心材料技术、具备规模制造与品质保障的国石磁业，正立于推动电子电力升级、支撑算力爆发的关键前沿，有望携手产业伙伴，共创高效绿色的电子未来。

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