电力电子技术中磁性元器件新进展

    导读：

    1 前 言 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，...

    1 前 言
    
     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。
    
     2 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。
    
     2.1 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400Hz 1T下损耗为5.7w/kg,0.1mm厚3％硅钢为7.2w/kg，在 10KHz 0.1T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200KVA 400Hz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50Hz 1.7T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50Hz 1.5T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。
    
     2.2 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。