電力電子技術(shù)中磁性元器件新進展

    導(dǎo)讀：

    1 前 言 電力電子技術(shù)的發(fā)展，決定于主要的電力電子元器件，例如電子開關(guān)元器件，整流元器件和控制元器件。作為配套元器件之一的磁性元器件也對電力電子技術(shù)產(chǎn)生不可低估的影響。磁性元器件根據(jù)它們的作用，...

    1 前 言
    
     電力電子技術(shù)的發(fā)展，決定于主要的電力電子元器件，例如電子開關(guān)元器件，整流元器件和控制元器件。作為配套元器件之一的磁性元器件也對電力電子技術(shù)產(chǎn)生不可低估的影響。磁性元器件根據(jù)它們的作用，有以下幾種：
     （1）起電能傳送、電壓變換和絕緣隔離作用的電源變壓器，包括整流變壓器、逆變變壓器和開關(guān)電源變壓器等。
     （2）起控制開關(guān)元器件、脈沖變換和絕緣隔離作用的脈沖變壓器、觸發(fā)變壓器和驅(qū)動變壓器等。
     （3）起電參數(shù)變換和穩(wěn)定作用的相數(shù)變換變壓器，頻率變換變壓器（鐵磁式倍頻器和分頻器），穩(wěn)壓變壓器、穩(wěn)流變壓器和參數(shù)變壓器等。
     （4）起抑制紋波、突變、EMI和噪聲的濾波電感器、噪聲和尖峰吸收電感器等。
     （5）起電流電壓信號變換和檢測作用的電流互感器、電壓互感器和霍爾電流電壓檢測器等。
    
     有一段時期，這些電力電子技術(shù)中的磁性元件被稱為特種變壓器和特種電感器，從便與電力變壓器和電力電感器相區(qū)別。后來，由于電力電子技術(shù)的發(fā)展，使電子技術(shù)涵蓋了從低到高的頻率范圍，從小到大的功率范圍，成為包括微電子技術(shù)，無線電電子技術(shù)和電力電子技術(shù)的一個整體。因此，把電力電子技術(shù)中的磁性元器件和其他電子技術(shù)中的磁性元器件歸在一起，由于其中變壓器占主要地位，都用“電子變壓器”作為統(tǒng)一的名稱。電力電子技術(shù)中的磁性元器件，是電子變壓器的一部份。電力電子技術(shù)發(fā)展對磁性元器件提出的要求，是推動電子變壓器發(fā)展的動力。電子變壓器的發(fā)展，也為電力電子技術(shù)的發(fā)展提供有力的基礎(chǔ)。特別是近十年來，磁性元器件所用的軟磁材料和磁芯結(jié)構(gòu)的新進展，使其性能有顯著的變化，為電力電子技術(shù)高頻化和小型化起著推動作用，解決了一些關(guān)鍵的難點。
    
     為了使電力電子技術(shù)和電子變壓器在我國都得到快速發(fā)展，兩個行業(yè)之間進行信息交流將會起積極作用�！秶�際電子變壓器》編輯部收集材料，編寫“電力電子技術(shù)中磁性元器件的新進展”，是希望以本文為契機，加強與電力電子行業(yè)的交流和聯(lián)系。同時也真誠的邀請電力電子技術(shù)專家和工作者，把電力電子技術(shù)中各種磁性元器件的要求和信息，通過《國際電子變壓器》傳送給電子變壓器行業(yè)，以便研發(fā)和生產(chǎn)的電子變壓器，更好的滿足電力電子行業(yè)要求。
    
     2 磁性元器件用軟磁材料的新進展
    
     電力電子技術(shù)中磁性元器件采用的軟磁材料有硅鋼、軟磁鐵氧體、高磁導(dǎo)鐵鎳合金（坡莫合金），非晶和納米晶合金以及磁粉芯和薄膜。下面分別介紹軟磁材料近十年來取得的新進展。
    
     2.1 硅鋼
     硅鋼是電力電子技術(shù)中低頻大功率磁性元器件常用的軟磁材料，近十年來，從調(diào)整硅含量，減少厚度和改進工藝方面對它進行改進，使性能不斷提高，工作頻率范圍從工頻，擴大到400Hz～10KHz中頻，最高達到200KHz～315KHz高頻。不但用于大功率電源變壓器，也可以用于追求體積小和環(huán)境適應(yīng)性好的高頻小功率開關(guān)電源變壓器。
     調(diào)整硅鋼中的硅含量，從3％增加到6.5％，可以使它性能趨向最佳，磁導(dǎo)率升高，損耗下降，磁致伸縮系數(shù)變小，但是硅含量增加，硅鋼延伸率下降，不能再采用軋制工藝直接生產(chǎn)。20世紀(jì)90年代初，日本開發(fā)成功用化學(xué)沉積法生產(chǎn)6.5％硅鋼帶材的大規(guī)模生產(chǎn)工藝。到1998年可大量生產(chǎn) 0.50～0.05mm厚6.5％硅鋼，寬度最大為640mm。2001年我國也試制成功6.5％硅鋼�？梢宰鳛�400Hz～10KHz中頻磁性元器件大量使用的軟磁材料。例如0.1mm厚6.5％硅鋼在400Hz 1T下?lián)p耗為5.7w/kg,0.1mm厚3％硅鋼為7.2w/kg，在 10KHz 0.1T下?lián)p耗0.1mm厚6.5％硅鋼為8.3w/kg，0.1mm厚3％硅鋼為18w/kg。也就是說，用它們制造中頻電源變壓器，在保證一定損耗的條件下，6.5％硅鋼工作磁通密度比3％硅鋼高，用鐵量減少。還有6.5％硅鋼的磁致伸縮系數(shù)為0.1×10-6左右，比3％硅鋼小8倍，可以降低人體敏感的400Hz～40KHz中頻段的可聞噪聲。日本已用0.1mm厚6.5％硅鋼制造出一臺200KVA 400Hz中頻電源變壓器，磁通密度為0.5T，用鐵量為250Kg，用銅量為125Kg，總重量為420Kg,可聞噪聲70db。用0.1mm厚3％硅鋼，磁通密度為0.3T,用鐵量為 320Kg，用銅量為160Kg，總重量為550Kg,可聞噪聲80db。同時，1998年日本采用同樣的化學(xué)沉積工藝生產(chǎn)出硅含量梯度分布的低剩磁硅鋼，磁通變化量△B可達1.2T左右，遠大于3％硅鋼的0.5T,可用于大功率脈沖變壓器。
     減少硅鋼帶材厚度，可使渦流損耗下降。到20世紀(jì)90年代，大功率50Hz磁性元器件使用的冷軋硅鋼厚度，已從0.35mm下降到0.23mm, 在50Hz，1.7T下的損耗可下降0.12～0.15w/kg。90年代初采用三次再結(jié)晶軋制和處理工藝，軋制出0.081mm和0.032mm厚的薄硅鋼，克服飽和磁通密度隨厚度下降的缺點，仍為2.03T。在50Hz 1.7T下的損耗，0.081mm厚硅鋼為0.37w/kg，0.032mm厚硅鋼為0.21w/kg，比0.30mm厚硅鋼的1.02w/kg大幅下降。不但使50Hz大功率磁性元器件采用硅鋼可以達到現(xiàn)在損耗的最低水平，而且可以擴展硅鋼使用的工作頻率到20KHz以上，已見到硅鋼用于200KHz～315KHz高頻磁性元器件中的報導(dǎo)。
     從20世紀(jì)90年代開始，各國都投入大量的人力物力研究硅鋼的磁疇細化處理工藝�，F(xiàn)在取得的成果是使0.23mm厚硅鋼在50Hz 1.5T下?lián)p耗再下降0.1w/kg。日本已定型大量生產(chǎn)，用于新一代節(jié)能型電力變壓器中，可使空載損耗比原來下降30％左可。估計用于整流變壓器也可以取得相當(dāng)?shù)墓?jié)能效果。我國正在試制這種磁疇細化處理后的硅鋼。
    
     2.2 軟磁鐵氧體
     軟磁鐵氧體是電力電子技術(shù)中的中高頻中小功率磁性元器件常用的軟磁材料，具有電阻率高，批量生產(chǎn)容易，性能穩(wěn)定，可利用模具制成各種磁芯，特別是成本低的特點，但是，加工大型軟磁氧體不容易，產(chǎn)品易破碎，使它的使用功率受到限制。軟磁鐵氧體飽和磁通密度低，在50Hz～1KHz頻率范圍內(nèi)，很少使用它。有人認為軟磁鐵氧體環(huán)形磁芯沒有氣隙，在聲頻范圍內(nèi)工作時不會產(chǎn)生可聞噪聲，那也是一種誤解。軟磁鐵氧體磁致伸縮系數(shù)遠大于硅鋼，在聲頻范圍內(nèi)工作，有比較大的可聞噪聲。
     20世紀(jì)90年代初，對軟磁鐵氧體的損耗隨頻率變化的機制進行了詳細研究。發(fā)現(xiàn)它有一個最佳工作頻率，這時損耗處于最低點。有一個極限工作頻率，超過它，損耗就始終比較大。因此90年代研究出的軟磁氧體第四代產(chǎn)品，如日本TDK的H7F（PC50）,中國的R1.4K,最佳工作頻率為1MHz,最大極限工作頻率3MHz，性能因子（Bxf）為25000，即在1MHz時工作磁通密度為25mT,比80年代的第三代產(chǎn)品有顯著的提高。第三代產(chǎn)品，如日本TDK的H7C4（PC40）,中國的R2KB1,最佳工作頻率300KHz，最大極限工作頻率1MHz，性能因子為15000。近年來，一方面從改變添加劑，另一方面從改變工藝，使粉末細化，進一步改善軟磁鐵氧體的性能。但是粉末細化程度受磁疇尺寸限制，再要提高軟磁鐵氧體的工作頻率相當(dāng)難，不得不尋找新的途徑，轉(zhuǎn)向磁性復(fù)合材料和納米材料。