高頻變壓器材料新解:納米晶的渦流損耗逆襲之路

通過帶材做薄納米晶,可以降低渦流損耗。原因有二:一、納米晶做薄可以減小磁場的趨膚效應;二、納米晶越薄材料電阻越高,整體電阻越大,渦流損耗越小。本篇,就來詳細談談變壓器的渦流損耗。

鐵氧體材料成本低,工藝成熟,但在高溫和高頻下,性能不佳。納米晶作為新興材料,高頻特性好,溫度穩定性高,但成本較高,生產工藝不夠成熟。

除此之外,我們還從磁導率、工作頻率、飽和磁通密度、直流偏置特性、居里溫度、損耗等方面做了比較,如下表格:

鐵氧體(Mn-Zn系)

納米晶(Fe-Si-B-Nb-Cu

磁導率

≤15K

80000左右

工作頻率

≤500kHz(磁損陡增臨界點)

20kHz-1MHz(優勢區間)

飽和磁通密度

0.4-0.5T(100℃衰減20%)

1.25T(-40-150℃穩定)

直流偏置特性

>30A/cm2顯著下降

>80A/cm2保持線性

居里溫度

210-250℃(易熱失效)

560℃(安全冗余度高)

損耗密度

200kW/m3@100kHz/0.2T

50kW/m3@100kHz/0.5T

材料成本

汽車,尤其是能源車800V高壓平臺和SiC/GaN器件的應用,對電感材料的高頻、高效率、高溫穩定性、輕量化、成本控制以及抗干擾能力,提出了更高的要求。在OBC車載充電機中,我們可以使用納米晶在LLC拓撲中做諧振電感,可以降低損耗超過30%以上,體積可以縮小40%以上。高功率產品,用到電感數量較多,采用納米晶,還可以減少并聯數量。

渦流損耗磁芯中有磁力線穿過,在與磁力線垂直的方向上會產生感應電流。渦流的存在使磁芯發熱消耗能量,這種損耗稱為渦流損耗。(下圖右側箭頭指示為渦流損耗)

公式如下:


渦流損耗P與頻率 f 的平方成正比。因此,頻率越高,渦流損耗越大,且在高頻下體現更加明顯。流損耗P與材料厚度的平方成正比,厚度越薄,渦流損耗越小。利用這一原理,制成了低頻硅鋼片變壓器,且越薄應用的頻率越高。只不過,硅鋼片的電阻率低,且磁導率在高頻下衰減嚴重,無法應用于高頻。渦流損耗P與磁感應強度B成正比,與電阻率成反比。與鐵氧體相比,納米晶磁感應強度B是鐵氧體的3倍以上,但通過帶材工藝,材料的厚度可以做薄,其渦流損耗在一定程度上是可以低于鐵氧體的。

而且渦流損耗與材料厚度的平方成正比,厚度降低一半,渦流損耗降低為原來的1/4。通過摻雜工藝,還可以進一步提升納米晶材料的電阻率。因此,從理論和工藝來看,在數百KHz的頻率下,納米晶的渦流損耗是可以低于鐵氧體的。如此看來,從理論上來說,納米晶除了用于電感,也是可以用于高頻變壓器的。在電機驅動系統中,目前也是以納米晶為主。在逆變器輸出濾波中,納米晶輸出濾波PWM諧波抑制(THD<2%)優勢顯著。

其次,納米晶耐受1000A/μs電流突變能力比鐵氧體強,可用于減速、剎車等場景。對于汽車中的DC-DC應用,800V及以上平臺高壓轉換,基本是使用納米晶為主濾波,主要是因為其在瞬態響應(<5μs)表現更優。但在常規的低壓轉換中,如400→24V,鐵氧體材料用于濾波本身成本優勢明顯,應優先使用鐵氧體為主,具體采用哪種材料,需綜合對比成本。

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