新型鐵氧體應(yīng)用于串聯(lián)電抗器與進(jìn)線(xiàn)電抗器

      一、串聯(lián)電抗器與進(jìn)線(xiàn)電抗器應(yīng)用新型鐵氧體的好處
      最尖端的功率鐵氧體能夠降低配置在太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)用功率調(diào)節(jié)器的升壓斬波電路、逆變器平滑電路上的串聯(lián)電抗器與進(jìn)線(xiàn)電抗器的損耗。

      在市面上銷(xiāo)售的適合單家獨(dú)戶(hù)的型號(hào)中，太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)用功率調(diào)節(jié)器的功率轉(zhuǎn)換效率已經(jīng)達(dá)到95%的水平，即便如此，例如4.5kW型號(hào)，其中的225W的電能被當(dāng)作熱量消耗掉。我們希望將損耗控制在兩位數(shù)的水平。新型鐵氧體能夠切實(shí)支持各裝配廠(chǎng)家的這一熱切期盼，或許是磁性領(lǐng)域能夠做到這一點(diǎn)的全世界首款功率鐵氧體。

      作為適合大電流用途的大型磁芯材料，新型鐵氧體不但實(shí)現(xiàn)了業(yè)內(nèi)最高水平的飽和磁通密度430mT，而且實(shí)現(xiàn)了業(yè)內(nèi)最低水平的磁芯損耗400kW/m3。有一種使用軟磁金屬材料制成的串聯(lián)電抗器與進(jìn)線(xiàn)電抗器，是在開(kāi)關(guān)頻率15到20kHz驅(qū)動(dòng)的3到5kW級(jí)功率調(diào)節(jié)器上配置，而新型鐵氧體能夠以同等尺寸替代此類(lèi)串聯(lián)電抗器與進(jìn)線(xiàn)電抗器。

      我們有UU、PQ、PM、EC等追求高效率磁路設(shè)計(jì)的各種形狀的磁芯，以豐富的尺寸規(guī)格形成了品種的標(biāo)準(zhǔn)化。當(dāng)然，我們也響應(yīng)用戶(hù)對(duì)特殊形狀、試制的要求。在利用了以往型號(hào)的高飽和磁通密度材料、PE22的通用逆變器、不間斷電源裝置、鐵路機(jī)車(chē)、電動(dòng)汽車(chē)、混合動(dòng)力汽車(chē)等應(yīng)用上，可利用新型鐵氧體設(shè)計(jì)比以往體積更小、損耗更低的串聯(lián)電抗器與進(jìn)線(xiàn)電抗器。

      二、串聯(lián)電抗器與進(jìn)線(xiàn)電抗器用新型鐵氧體研發(fā)的現(xiàn)實(shí)背景
      不用在意串聯(lián)電抗器與進(jìn)線(xiàn)電抗器的損耗嗎？新型鐵氧體超越了以往的鐵氧體物性極限，用戶(hù)在討論新型鐵氧體會(huì)在應(yīng)用中帶來(lái)哪些好處時(shí)，請(qǐng)留意我們開(kāi)發(fā)當(dāng)初的設(shè)想: 適合單家獨(dú)戶(hù)住宅或集合住宅的光伏發(fā)電、中等規(guī)模風(fēng)力發(fā)電、燃料電池發(fā)電等3.5到5.5kW規(guī)模的新型發(fā)電系統(tǒng)。

      在這些系統(tǒng)中不可或缺的功率調(diào)節(jié)器上，配置有多個(gè)在功率轉(zhuǎn)換過(guò)程中發(fā)揮重要作用的串聯(lián)電抗器與進(jìn)線(xiàn)電抗器，但這些器件產(chǎn)生的損耗快要不能忽視了。在輸出功率3kW、電感1mH、電流有效值15A、電流峰值24A、工作頻率16kHz的情況下模擬串聯(lián)電抗器與進(jìn)線(xiàn)電抗器損耗 (逆變器平滑用)，可知使用了Si高硅鋼板、鐵硅鋁磁合金的串聯(lián)電抗器與進(jìn)線(xiàn)電抗器的損耗 (鐵損+銅損) 大約14W，相當(dāng)于額定輸出容量3kW的0.47%。

      于是，針對(duì)使用了Si高硅鋼板、鐵硅鋁磁合金的串聯(lián)電抗器與進(jìn)線(xiàn)電抗器，用工作頻率16kHz模擬固有鐵損，結(jié)果表明鐵損上升到使用了鐵氧體的串聯(lián)電抗器與進(jìn)線(xiàn)電抗器的大約3倍至10倍的水平。當(dāng)然，會(huì)在串聯(lián)電抗器與進(jìn)線(xiàn)電抗器損耗上加上繞組的銅損，所以以下的鐵損、磁芯損耗之差并非直接反映到串聯(lián)電抗器與進(jìn)線(xiàn)電抗器損耗上，但如同磁芯損耗失對(duì)比所示，對(duì)于使用了硅鋼板、鐵硅鋁磁合金的串聯(lián)電抗器與進(jìn)線(xiàn)電抗器來(lái)說(shuō)，為功率調(diào)節(jié)器設(shè)置的工作頻率范圍15到20kHz的 “20kHz” 就是接近可用極限的頻率。

      即使增加硅含量以增大電阻率，將帶鋼板展薄后疊層以求縮小發(fā)生渦流的區(qū)域，使用了硅鋼板的串聯(lián)電抗器與進(jìn)線(xiàn)電抗器的鐵損水平也比擁有100倍以上的電阻率的鐵氧體磁芯大，磁芯損耗隨著頻率升高以大的斜率上升。

     即便如此，模擬結(jié)果表明每個(gè)串聯(lián)電抗器與進(jìn)線(xiàn)電抗器的損耗僅為額定輸出功率(3kW)的0.47%，兩個(gè)的損失也不到1%，這就印證了其合理性，即便是標(biāo)準(zhǔn)的壁掛式薄型、小型市售型號(hào)，功率調(diào)節(jié)器的光電轉(zhuǎn)換效率也已達(dá)到94-95%的水平，在實(shí)現(xiàn)零電流開(kāi)關(guān)的軟開(kāi)關(guān)電路的改良、可大幅降低損耗的新型逆變器方式的應(yīng)用等上，適合普通家庭、轉(zhuǎn)換效率超過(guò)97%的4kW市售型號(hào)也面世了。從此類(lèi)數(shù)值來(lái)看，讓人覺(jué)得不必在意串聯(lián)電抗器與進(jìn)線(xiàn)電抗器損耗等。而且此前也的確如此。但是，今后又會(huì)如何呢？

      串聯(lián)電抗器與進(jìn)線(xiàn)電抗器的發(fā)熱不可忽視的那一天。在新能源市場(chǎng)，各個(gè)主要國(guó)家大力發(fā)展太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)。尤其是歐洲的太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)市場(chǎng)，最近數(shù)年以年率50%持續(xù)增長(zhǎng)，一躍成為世界最大的市場(chǎng)。建設(shè)規(guī)模達(dá)到數(shù)十兆瓦的大規(guī)模光伏發(fā)電站等，國(guó)家層面的措施也很受人矚目，繼德國(guó)的上網(wǎng)電價(jià)補(bǔ)貼政策 (Feed-in Tariff) 之后，西班牙、意大利等國(guó)家也開(kāi)始執(zhí)行同樣的普及政策，很明顯，這已成為歐洲市場(chǎng)快速發(fā)展的起爆劑。

      歐洲剩余電力收購(gòu)制度的成功、在全世界出現(xiàn)普及跡象，在這樣的背景下，估計(jì)盡早收回系統(tǒng)引進(jìn)費(fèi)用的需求會(huì)進(jìn)一步提高，于是由行業(yè)組織檢查、評(píng)價(jià)功率調(diào)節(jié)器的光電轉(zhuǎn)換效率，根據(jù)評(píng)價(jià)結(jié)果排名并公諸于眾的活動(dòng)、將功率調(diào)節(jié)器效率納入生態(tài)標(biāo)志制度的對(duì)象的各國(guó)政府的工作也會(huì)迅速擴(kuò)大。

      在互聯(lián)網(wǎng)、報(bào)刊、雜志、產(chǎn)品目錄等上，連同價(jià)格、耐用年數(shù)、保養(yǎng)和維護(hù)等信息一起公布光電轉(zhuǎn)換效率。僅僅0.5%的差也會(huì)左右功率調(diào)節(jié)器甚至系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)性、對(duì)廠(chǎng)家的好感。這一狀況正在成為在各國(guó)新能源市場(chǎng)通行的潮流。

      三、串聯(lián)電抗器與進(jìn)線(xiàn)電抗器應(yīng)用新型鐵氧體低損耗、高飽和磁通密度技術(shù)的實(shí)現(xiàn)
      不需要強(qiáng)制空冷風(fēng)扇的效率分界線(xiàn)。作為高效率光電轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)的最高境界，各廠(chǎng)家競(jìng)相瞄準(zhǔn)超過(guò)98%的效率，可以設(shè)想串聯(lián)電抗器與進(jìn)線(xiàn)電抗器的 “−0.5%” 的差異也會(huì)發(fā)生改變市場(chǎng)地位的事態(tài)。在功率調(diào)節(jié)器不需要空冷風(fēng)扇的散熱設(shè)計(jì)分水嶺，即使微小的區(qū)別也會(huì)切實(shí)拉開(kāi)差距，領(lǐng)先一步。新型鐵氧體或許是能夠支持此類(lèi)需求的，全世界首款功率鐵氧體。

      在適用大功率用途的大型鐵氧體磁芯類(lèi)別上，我們?cè)谌�世界率先開(kāi)發(fā)出磁芯損耗達(dá)到業(yè)內(nèi)最低水平的PC40、飽和磁通密度達(dá)到業(yè)內(nèi)最高水平的PE22。我們以串聯(lián)電抗器與進(jìn)線(xiàn)電抗器、加熱、磁感應(yīng)等產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用為核心，響應(yīng)用戶(hù)對(duì)各種各樣的大型磁芯的需求。

      在強(qiáng)化這兩種材料的優(yōu)勢(shì)性，進(jìn)行改良的工作中，我們敢于開(kāi)拓 “以往的材料尚未達(dá)到的領(lǐng)域”，挑戰(zhàn)磁特性，既大幅降低了磁芯損耗水平，又進(jìn)一步提高了飽和磁通密度。

      其最初的成果見(jiàn)上圖所示的開(kāi)發(fā)過(guò)程，是為響應(yīng)開(kāi)關(guān)電源的最尖端需求而著手的PC40至PC47。現(xiàn)在，這一系列的磁芯損耗已達(dá)到大約40%以下的250kW/m3，飽和磁通密度也達(dá)到超過(guò)高飽和磁通密度材料PE22的420mT。

      PE22是作為適用大功率用途的高飽和磁通密度材料而開(kāi)發(fā)的，而以PE22為起點(diǎn)著手相關(guān)工作的最新成果就是新型鐵氧體。繼PC47之后，這種材料再次超越鐵氧體物性控制哲理的極限，開(kāi)拓了新的材質(zhì)特性領(lǐng)域。這在瞬間誕生了新型串聯(lián)電抗器與進(jìn)線(xiàn)電抗器的可能性，既以與應(yīng)用了硅鋼板、鐵硅鋁磁合金的傳統(tǒng)型串聯(lián)電抗器與進(jìn)線(xiàn)電抗器同等的尺寸滿(mǎn)足電路條件，又能夠大幅降低串聯(lián)電抗器與進(jìn)線(xiàn)電抗器損耗 (鐵損+銅損)。

      即使一點(diǎn)點(diǎn)的損失也切實(shí)降低的低損耗串聯(lián)電抗器與進(jìn)線(xiàn)電抗器的條件
      第一個(gè)條件: 針對(duì)各國(guó)最注重普及的家用太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)3.3到5.5kW功率調(diào)節(jié)器的峰值電流，獲得能夠順利應(yīng)對(duì)的飽和磁通密度。第二個(gè)條件: 在實(shí)際纏繞繞組，投入運(yùn)行時(shí)的實(shí)際特性上，能夠以肉眼明白無(wú)誤地觀(guān)察到的數(shù)值，降低使用了硅鋼板、鐵硅鋁磁合金等傳統(tǒng)磁芯材料的串聯(lián)電抗器與進(jìn)線(xiàn)電抗器產(chǎn)生的損耗，實(shí)現(xiàn)高效率化。只要符合這兩個(gè)條件，能夠?qū)崿F(xiàn)即使一點(diǎn)點(diǎn)的損失也切實(shí)降低的低損耗串聯(lián)電抗器與進(jìn)線(xiàn)電抗器，也能支持在世界舞臺(tái)上競(jìng)爭(zhēng)效率1%之差的功率調(diào)節(jié)器開(kāi)發(fā)團(tuán)隊(duì)。這一想法締造了前所未有的鐵氧體物性。

      在支持大功率用大型磁芯的鐵氧體類(lèi)別上，高飽和磁通密度為430mT，迫近以擁有行業(yè)最高水平的飽和磁通密度為榮的PC33的飽和磁通密度到達(dá)點(diǎn); 同時(shí)磁芯損耗僅為400Kw/m3，低于低損耗材料PC40。尤其是降低磁芯損耗23%，這一成果為串聯(lián)電抗器與進(jìn)線(xiàn)電抗器設(shè)計(jì)賦予了前所未有的富裕度，是一個(gè)巨大的飛躍。

      試制的串聯(lián)電抗器與進(jìn)線(xiàn)電抗器明顯終結(jié)了以往常識(shí)。
      鐵氧體的優(yōu)勢(shì)在于成型加工容易、形狀設(shè)計(jì)自由度大、將消除了浪費(fèi)和不合理的理想磁路能夠按用途自由追求，在眾多優(yōu)勢(shì)性中，最突出的還是出類(lèi)拔萃的低損耗，但鐵氧體的飽和磁通密度小，不到軟磁金屬材料的一半，在工作頻率15到20kHz的功率調(diào)節(jié)器電路條件下，磁芯容積、繞組體積均未能避免大型化，其杰出的低損耗優(yōu)點(diǎn)并未得到活用。

      然而，新型鐵氧體的出現(xiàn)使以上說(shuō)法成為過(guò)去。在串聯(lián)電抗器與進(jìn)線(xiàn)電抗器設(shè)計(jì)上，重要的判斷材料是直流重疊特性。從PE22到新型鐵氧體，其實(shí)力是如何進(jìn)步的呢？ 以下表示其成果。

      此電抗器形狀為W109xT55xH115mm，為二者設(shè)定相同級(jí)別的電感值 (1.1mH) 和氣隙值，在試制電抗器中將取決于磁飽和 (電感從Idc＝0A時(shí)的水平下降10%的狀態(tài)) 的直流重疊電流峰值調(diào)到20A左右，利用這樣的電抗器實(shí)測(cè)了數(shù)據(jù)。

      以往的高飽和磁通密度材料PE22在電流19A時(shí)達(dá)到磁飽和，而新開(kāi)發(fā)的新型鐵氧體將飽和電流提高了大約10%，到21A維持了電抗器的功能。這一提高是從哪里獲得的呢？我們略作詳細(xì)確認(rèn)。

      從上圖的飽和磁通密度-溫度特性對(duì)比例子可知，PE22在100°C條件下的飽和磁通密度為410mT，而新型鐵氧體為430mT。二者相差4.8%左右。盡管如此，新型鐵氧體的直流重疊特性卻大幅改進(jìn)了—對(duì)比二者的磁芯損耗和磁化曲線(xiàn)即可明白其中道理。100°C條件下的新型鐵氧體的磁芯損耗被限制在低于PE22的23%的水平。為此，磁通密度的建立過(guò)程迅速，而且在達(dá)到飽和前維持B-H回線(xiàn)的直線(xiàn)性。

      也就是說(shuō)，新型鐵氧體通過(guò)涉足以往的高飽和磁通密度材料未能觸及的低磁芯損耗材料領(lǐng)域，毫不勉強(qiáng)地實(shí)現(xiàn)了與應(yīng)用軟磁金屬的傳統(tǒng)型電抗器同等尺寸的低損耗電抗器，獲得了杰出的直流重疊特性。以往的高飽和磁通密度材料PE22在電流19A時(shí)達(dá)到磁飽和，而新開(kāi)發(fā)的新型鐵氧體將飽和電流提高了大約10%，到21A維持了電抗器的功能。這一提高是從哪里獲得的呢？ 我們略作詳細(xì)確認(rèn)。

      從上圖的飽和磁通密度-溫度特性對(duì)比例子可知，PE22在100°C條件下的飽和磁通密度為410mT，而新型鐵氧體為430mT。二者相差4.8%左右。盡管如此，新型鐵氧體的直流重疊特性卻大幅改進(jìn)了—對(duì)比二者的磁芯損耗和磁化曲線(xiàn)即可明白其中道理。00°C條件下的新型鐵氧體的磁芯損耗被限制在低于PE22的23%的水平。為此，磁通密度的建立過(guò)程迅速，而且在達(dá)到飽和前維持B-H回線(xiàn)的直線(xiàn)性。

      也就是說(shuō)，新型鐵氧體通過(guò)涉足以往的高飽和磁通密度材料未能觸及的低磁芯損耗材料領(lǐng)域，毫不勉強(qiáng)地實(shí)現(xiàn)了與應(yīng)用軟磁金屬的傳統(tǒng)型電抗器同等尺寸的低損耗電抗器，獲得了杰出的直流重疊特性。

      逆變器平滑用電抗器的損耗模擬(參考值)可挽回大約30%的浪費(fèi)。接著，我們對(duì)比了鐵損和銅損之和的總損耗，亦即對(duì)比了配置在功率調(diào)節(jié)器的電抗器的 “實(shí)力”。我們以適用3kW規(guī)模的家用太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)用功率調(diào)節(jié)器的逆變器平滑電路所用的電抗器為對(duì)象，做了模擬。

      應(yīng)用新型鐵氧體材料磁芯時(shí)，大約降低應(yīng)用同等尺寸Si高硅鋼板的電抗器損耗33%，大約降低應(yīng)用鐵硅鋁磁合金的電抗器損耗30%，獲得了削減損耗的結(jié)果。當(dāng)然，這一結(jié)果只表示大致的情況 (參考值)，但或許可從該值看到利用新型鐵氧體加速的可能性之一。

      四、串聯(lián)電抗器與進(jìn)線(xiàn)電抗器應(yīng)用新型鐵氧體的前景展望
      在30到50kHz驅(qū)動(dòng)功率調(diào)節(jié)器上的應(yīng)用前景，多數(shù)效率達(dá)到95%水平的功率調(diào)節(jié)器配置有同時(shí)實(shí)現(xiàn)高速驅(qū)動(dòng)和低損耗的溝槽型IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor: 絕緣柵雙極型晶體管)，但嵌有高速軟恢復(fù)二極管的這種IGBT可支持最大30kHz左右的開(kāi)關(guān)。此外，適合大電流用途的IGBT的低損耗化和高速化近年來(lái)也快速發(fā)展，將功率調(diào)節(jié)器的高速開(kāi)關(guān)納入視野的30到50kHz驅(qū)動(dòng)元件也問(wèn)世了。

      零電流開(kāi)關(guān)電路設(shè)計(jì)技術(shù)也獲得積極的進(jìn)展，根據(jù)從今天的尖端機(jī)型達(dá)到的效率水平，估計(jì)開(kāi)關(guān)損耗將被控制在幾乎不會(huì)成為問(wèn)題的水平。基于這一狀況，假設(shè)將包含升壓斬波電路用在內(nèi)的，配置的全部傳統(tǒng)電抗器替換為應(yīng)用了新型鐵氧體的電抗器，根據(jù)新型鐵氧體的磁芯損耗-頻率特性，找不到將功率調(diào)節(jié)器的工作頻率仍設(shè)為15到20kHz的積極理由。例如，將工作頻率設(shè)為現(xiàn)在的2倍、30到35kHz的頻率區(qū)域，盡管難以使用硅鋼板、鐵硅鋁磁合金，但新型鐵氧體在依然能夠使用。

      圖中解釋了利用新型鐵氧體材料實(shí)現(xiàn)下一代功率調(diào)節(jié)器的高速驅(qū)動(dòng)的情況(將頻率從現(xiàn)在的15到20kHz提高到30到35kHz)；從頻率區(qū)域來(lái)看，新型鐵氧體的磁芯損耗仍遠(yuǎn)低于15到20kHz時(shí)的鐵硅鋁磁合金的磁芯損耗水平。盡管銅損也增加了，但頻率升高使得需要的磁通密度減小，還可做到磁芯的小型化，因此還可抑制代表單位體積損耗的磁芯損耗的上升。通過(guò)在各種各樣的電路條件下反復(fù)模擬，可見(jiàn)能夠以更小的形狀達(dá)到高效率功率調(diào)節(jié)器的最高層次，讓人似乎看到電抗器的新局面。