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电力电子技术中磁性元器件的新进展




  电力电子技术的发展,决定于主要的电力电子元器件,例如电子开关元器件,整流元器件和控制元器件。作为配套元器件之一的磁性元器件也对电力电子技术产生不可低估的影响。磁性元器件根据它们的作用,有以下几种:

   (1)起电能传送、电压变换和绝缘隔离作用的电源变压器,包括整流变压器、逆变变压器和开关电源变压器等。

   (2)起控制开关元器件、脉冲变换和绝缘隔离作用的脉冲变压器、触发变压器和驱动变压器等。

  (3)起电参数变换和稳定作用的相数变换变压器,频率变换变压器(铁磁式倍频器和分频器),稳压变压器、稳流变压器和参数变压器等。

  (4)起抑制纹波、突变、EMI和噪声的滤波电感器、噪声和尖峰吸收电感器等。

  (5)起电流电压信号变换和检测作用的电流互感器、电压互感器和霍尔电流电压检测器等。

  有一段时期,这些电力电子技术中的磁性元件被称为特种变压器和特种电感器,从便与电力变压器和电力电感器相区别。后来,由于电力电子技术的发展,使电子技术涵盖了从低到高的频率范围,从小到大的功率范围,成为包括微电子技术,无线电电子技术和电力电子技术的一个整体。因此,把电力电子技术中的磁性元器件和其他电子技术中的磁性元器件归在一起,由于其中变压器占主要地位,都用“电子变压器”作为统一的名称。电力电子技术中的磁性元器件,是电子变压器的一部份。电力电子技术发展对磁性元器件提出的要求,是推动电子变压器发展的动力。电子变压器的发展,也为电力电子技术的发展提供有力的基础。特别是近十年来,磁性元器件所用的软磁材料和磁芯结构的新进展,使其性能有显著的变化,为电力电子技术高频化和小型化起着推动作用,解决了一些关键的难点。

  为了使电力电子技术和电子变压器在我国都得到快速发展,两个行业之间进行信息交流将会起积极作用。《国际电子变压器》编辑部收集材料,编写“电力电子技术中磁性元器件的新进展”,是希望以本文为契机,加强与电力电子行业的交流和联系。同时也真诚的邀请电力电子技术专家和工作者,把电力电子技术中各种磁性元器件的要求和信息,通过《国际电子变压器》传送给电子变压器行业,以便研发和生产的电子变压器,更好的满足电力电子行业要求。

磁性元器件用软磁材料的新进展

  电力电子技术中磁性元器件采用的软磁材料有硅钢、软磁铁氧体、高磁导铁镍合金(坡莫合金),非晶和纳米晶合金以及磁粉芯和薄膜。下面分别介绍软磁材料近十年来取得的新进展。

硅钢

  硅钢是电力电子技术中低频大功率磁性元器件常用的软磁材料,近十年来,从调整硅含量,减少厚度和改进工艺方面对它进行改进,使性能不断提高,工作频率范围从工频,扩大到400Hz~10KHz中频,最高达到200KHz~315KHz高频。不但用于大功率电源变压器,也可以用于追求体积小和环境适应性好的高频小功率开关电源变压器。

  调整硅钢中的硅含量,从3%增加到6.5%,可以使它性能趋向最佳,磁导率升高,损耗下降,磁致伸缩系数变小,但是硅含量增加,硅钢延伸率下降,不能再采用轧制工艺直接生产。20世纪90年代初,日本开发成功用化学沉积法生产6.5%硅钢带材的大规模生产工艺。到1998年可大量生产0.50~0.05mm厚6.5%硅钢,宽度最大为640mm。2001年我国也试制成功6.5%硅钢。可以作为400Hz~10KHz中频磁性元器件大量使用的软磁材料。例如0.1mm厚6.5%硅钢在400Hz1T下损耗为5.7w/kg,0.1mm厚3%硅钢为7.2w/kg,在10KHz0.1T下损耗0.1mm厚6.5%硅钢为8.3w/kg,0.1mm厚3%硅钢为18w/kg。也就是说,用它们制造中频电源变压器,在保证一定损耗的条件下,6.5%硅钢工作磁通密度比3%硅钢高,用铁量减少。还有6.5%硅钢的磁致伸缩系数为0.1×10-6左右,比3%硅钢小8倍,可以降低人体敏感的400Hz~40KHz中频段的可闻噪声。日本已用0.1mm厚6.5%硅钢制造出一台200KVA400Hz中频电源变压器,磁通密度为0.5T,用铁量为250Kg,用铜量为125Kg,总重量为420Kg,可闻噪声70db。用0.1mm厚3%硅钢,磁通密度为0.3T,用铁量为320Kg,用铜量为160Kg,总重量为550Kg,可闻噪声80db。同时,1998年日本采用同样的化学沉积工艺生产出硅含量梯度分布的低剩磁硅钢,磁通变化量△B可达1.2T左右,远大于3%硅钢的0.5T,可用于大功率脉冲变压器。

  减少硅钢带材厚度,可使涡流损耗下降。到20世纪90年代,大功率50Hz磁性元器件使用的冷轧硅钢厚度,已从0.35mm下降到0.23mm,在50Hz,1.7T下的损耗可下降0.12~0.15w/kg。90年代初采用三次再结晶轧制和处理工艺,轧制出0.081mm和0.032mm厚的薄硅钢,克服饱和磁通密度随厚度下降的缺点,仍为2.03T。在50Hz1.7T下的损耗,0.081mm厚硅钢为0.37w/kg,0.032mm厚硅钢为0.21w/kg,比0.30mm厚硅钢的1.02w/kg大幅下降。不但使50Hz大功率磁性元器件采用硅钢可以达到现在损耗的最低水平,而且可以扩展硅钢使用的工作频率到20KHz以上,已见到硅钢用于200KHz~315KHz高频磁性元器件中的报导。

  从20世纪90年代开始,各国都投入大量的人力物力研究硅钢的磁畴细化处理工艺。现在取得的成果是使0.23mm厚硅钢在50Hz1.5T下损耗再下降0.1w/kg。日本已定型大量生产,用于新一代节能型电力变压器中,可使空载损耗比原来下降30%左可。估计用于整流变压器也可以取得相当的节能效果。我国正在试制这种磁畴细化处理后的硅钢。

软磁铁氧体

  软磁铁氧体是电力电子技术中的中高频中小功率磁性元器件常用的软磁材料,具有电阻率高,批量生产容易,性能稳定,可利用模具制成各种磁芯,特别是成本低的特点,但是,加工大型软磁氧体不容易,产品易破碎,使它的使用功率受到限制。软磁铁氧体饱和磁通密度低,在50Hz~1KHz频率范围内,很少使用它。有人认为软磁铁氧体环形磁芯没有气隙,在声频范围内工作时不会产生可闻噪声,那也是一种误解。软磁铁氧体磁致伸缩系数远大于硅钢,在声频范围内工作,有比较大的可闻噪声。

  20世纪90年代初,对软磁铁氧体的损耗随频率变化的机制进行了详细研究。发现它有一个最佳工作频率,这时损耗处于最低点。有一个极限工作频率,超过它,损耗就始终比较大。因此90年代研究出的软磁氧体第四代产品,如日本TDK的H7F(PC50),中国的R1.4K,最佳工作频率为1MHz,最大极限工作频率3MHz,性能因子(Bxf)为25000,即在1MHz时工作磁通密度为25mT,比80年代的第三代产品有显著的提高。第三代产品,如日本TDK的H7C4(PC40),中国的R2KB1,最佳工作频率300KHz,最大极限工作频率1MHz,性能因子为15000。近年来,一方面从改变添加剂,另一方面从改变工艺,使粉末细化,进一步改善软磁铁氧体的性能。但是粉末细化程度受磁畴尺寸限制,再要提高软磁铁氧体的工作频率相当难,不得不寻找新的途径,转向磁性复合材料和纳米材料。

高磁导铁镍合金(坡莫合金)

  高磁导合金的特点是磁导率高,损耗低,环境适应性强,缺点是价格贵。在电力电子技术中的检测信号的磁性元器件中使用,有突出优点。同时,在环境条件要求严格的军工产品中,使用比较多。

  为了降低成本,1992年开发出低镍含量的Ni38Cr8Fe合金,达到Ni80Mo5高镍合金的性能,在0.4A/m条件下,初始磁导率达到1~3×106。

  从1996年开始,德国真空冶炼公司等国外公司开发出初始率2~3×106,掀起了提高磁导率的热潮。中国也研制出相应的产品1J77A和1J851A合金。不但磁导率高,可以提高检测磁性元器件的精度和灵敏度。而且损耗小,0.02mm厚合金材,在0.5T20KHz下损耗为28w/kg,已用于20KHz1KVA电源变压器。

 高磁导合金轧制0.02mm以下的合金超薄带材,生产工艺相对简单,成本相对较低,现在已能轧制出0.005mm厚的合金带材。0.005mm厚Ni80Mo5合金带材在0.1T1MHz时损耗为0.392w/kg,10MHz时为23.1w/kg,可用于1MHz以上的电源变压器和饱和电感器(磁放大器)中,突破了高磁导合金只能用于20KHz以下磁性元器件中的旧观念,其成本也低于超薄带硅钢、非晶和纳米合金,在市场上有竞争力。

非晶和纳米晶合金

  从20世纪60年代末起开发出来的非晶合金和从80年代后期起在非晶合金基础上开发出来的纳米晶合金,近十年来成为电力电子技术中磁性元器件用软磁材料的研究热点,不但在材料和工艺方面,而且在应用方面都取得了巨大进展。下面介绍比较突出的例子。

  铁基非晶合金在低频大功率中磁性元器件的应用推向高潮。在电力变压器中,从90年代初的不到一万台,达到90年代末的上百万台。除了电力变压器外,也有用于整流变压器,逆变变压器和滤液变压器的应用实例。1999年报道了高次谐波对铁基非晶合金和硅钢损耗影响的对比试验结果。在失真度为5%的电力变压器中,硅钢磁芯损耗增大到106%,非晶合金磁芯损耗增大到123%。在失真度为75%的整流变压器中,非晶合金磁芯损耗增大到160%,还可工作,硅钢磁芯损耗增大到大于300%,严重发热,必须采取冷措施。证明了铁基非晶合金比硅钢更适合于电力电子技术中的低频大功率磁性元器件中使用。现在铁基非晶合金磁芯制成的变压器容量一般为630KVA以下,最大已制成2500KVA。经过近十年努力,工作磁通密度从1.25T提高到1.35~1.40T。填充系数从0.70提高到0.85。带材价格从硅钢的600%降到150%。磁芯价格达到26元/kg左右,已接近卷绕式硅钢磁芯价格。空载损耗比硅钢下降60%~80。预计在未来十年内,铁基非晶合金将逐渐扩大在电力电子技术中磁性元器件中的应用,达到30%左右的份额。

   现在铁基非晶合金厚度为25~40μm,填充系为0.85左右。1995年以后开发出厚度为150~250μm厚FiSiB系铁基非晶合金和块状非晶合金,可以把填充系数提高到0.95,达到现在硅钢磁芯水平。块状非晶合金可以用于甚低频磁性元器件,降低损耗。

  从1990年起,日本大力开展对FeMB系(M可为Zr、Hf、Ta)非晶合金和FeZrNbBCu系纳米晶合金的研究,商品名为“Nanoperm”。损耗比FeSiB系铁基非晶合金小,在1.4T和50Hz下损耗为0.14w/kg左右,饱和磁通密度提高到1.70T,磁致伸缩系数下降到0.3×106以下,是到现在为止低频大功率比较理想的软磁材料。日本已联合产学研攻关,预计2003年制成低频大功率变压器样品,2005年投入规模生产。

  1998年美国开发出FeCoZrBCu系非晶合金,商品名为“Hitperm”,饱和磁通密度高达2.0T,损耗也比较小,可代替现在的铁钴钒合金用于要求体积和重量小的低频大功率磁性元器件中。

  近十年来是非晶和纳米晶合金与软磁铁氧体争夺电力电子技术中高频磁性元器件市场,最为激烈的时期,特别是100KHz以上的高频范围围,效果更加明显。由于改进工艺,添加元素,钴基非晶和铁基纳米晶合金者喷制出20μm以下的薄带。钴基非晶合金薄带在0.1T和1MHz条件下,损耗为0.1~0.4w/kg。Nanoperm型纳米晶合金薄带在0.2T和1MHz条件下,损耗为1.15w/g左右。是迄今为止所见报道的最低水平。这样,在500KHz~1MHz范围内,工作磁通密度可达到0.2~0.1T,而软磁铁氧体只有0.05~0.025T,可以比软磁铁氧体减少中高频磁性元器件的损耗,体积和重量。

磁粉芯

  磁粉芯是由金属软磁材料粉末与绝缘材料混合以后压制而成的,一般为环形。由于金属软磁材料粉末被绝缘材料所包围,形成分散气隙,增加电阻率,降低高频涡流损耗,并具有抗饱和性能,主要作为电力电子技术中电感器的磁芯。

  除了铁磁粉芯,铁镍钼磁粉芯,铁硅铝磁粉芯而外,20世纪90年代中期,开始研究非晶和纳米晶磁粉芯。在10KHz下测的有效磁导率为20~800,比现在其他磁粉芯范围宽,最大值高。在0.1T,20KHz条件下,损耗为10~25w/cm3,比现有其化磁粉芯低,可以减少发热量及温升。

 薄膜

  电力电子技术发展到1MHz以上高频,可以大大减少电力电子装置的体积和重量。适合也便携式通讯设备(手机)和个人计算机相配。据日本电子杂志介绍,这两种信息传输和处理设备,是当前高频开关电源的主要用户。但是在1MHz~100MHz,甚至1000MHz范围内,原有的软磁材料损耗迅速增加,加工工艺愈来愈难,成本上升,因此作为纳米材料的一个分支,磁性薄膜应技术发展的要求,从1987年发展起来。由于测1MHz损耗比较困难,用磁导率作为表示薄膜性能的主要参数。

 1998年日本用电镀法制成饱和磁通密度达1.8~2.2T的FeNiCo晶态合金薄膜,在10MHz下磁导率为1650~2200,可用于10MHz磁性元器件中。后来又开发出FeNi和FeNiMo晶态合金薄膜,电阻率比较大,可用于10MHz~30MHz磁性元器件中。

 非晶合金薄膜在90年代初就有报道,把CoZr薄膜作为磁芯,制成电源变压器,滤波电感器和脉宽调制饱和电感器,组成1MHz开关电源。后来改进的CoZrRe薄膜,在10MHz下磁导率达到3000,在0.1T和1MHz测损耗为1.2w/cm3,只有软磁铁氧体的1/6左右,已成功用于32MHz开关电源中。值得注意的是,薄膜属于纳米材料,其性能比非晶合金的薄带有显著改善。例如钴基非晶合金薄带的饱和磁通为0.6~0.8T,而钴基非晶薄膜可升高到1.6T。

 由于薄膜厚度一般都小于5μm,,很容易形成纳米晶,因此90年代开发出来的纳米晶薄膜比非晶薄膜多。其中FeMc(或CoMc)纳米晶薄膜,商品名“Nanomax”,已经作为磁头材料大量使用。Bs为1.48~1.72T,1MHz下磁导率为670~6500,可以用于1MHz左右的开磁电源中。Nanoperm型纳米晶薄膜FeZrB,在50MHz下磁导率仍大于1000,可用于10MHz~50MHz开电源中。经过氮化后,可以提高电阻率,磁导率在高频下仍然比较大。1994年韩国开发成功的FeHfCn薄膜在1MHz下磁导率达到7800,在100MHz下仍保持在1000左右,把使用频率推向100MHz。

 把薄膜厚度减薄,可以再减少涡流损耗,然后将几个可十几个磁性薄膜粘接在一起形成多层薄膜。例如〔FeHfC/Fe〕多层薄膜,使1MHz下磁导率从4310上升到6000,一直可保持到100MHz,也有相当高的磁导率。由磁性薄膜和非磁性薄膜间叉组成的多薄膜,电阻率更高,工作频率超过100MHz。例如1999年日本开发的〔CoFeB/SiO2〕多层薄膜,在800MHz下,磁导率为300~450。已经用它作磁芯制成GH2级电感器,电感量比同类型的空芯电感器增加20%以上。

 现在采用微细加工方法,把Fe或Co及其合金的纳米级颗粒,弥散的镶嵌在非磁性物体中,而形成纳米颗粒薄膜。国外把它称为复合磁性纳米材料,是现在磁性材料的一大热门研究课题。例如,FeHfO颗粒薄膜在100MHz下磁导率为700~1400,在100MHz下仍为100~500,电阻率为410~1100μm。现在已用于手机电源中。

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