軟磁材料高頻磁化特性和損耗特性分析

引言

高頻變壓器廣泛應(yīng)用于高頻開關(guān)電源、高頻逆變電源及大功率DC-DC變換器等場(chǎng)合。提高高頻變壓器的工作頻率可以提高能量密度、減小體積,有助于電源和變換器設(shè)備的集成化設(shè)計(jì)。然而隨著工作頻率的升高,變壓器的鐵芯損耗和溫升也隨之增加。因此,需要根據(jù)高頻變壓器鐵芯材料的磁化特性和損耗特性,選擇合適的工作頻點(diǎn)。

目前,用于高頻變壓器磁芯的典型材料有硅鋼、鐵氧體、非晶、納米晶,這4種典型磁芯材料的磁化特性、飽和磁密、矯頑力、磁導(dǎo)率、電阻率、磁滯伸縮系數(shù)、居里溫度和疊片厚度等性能在很大程度上決定了高頻變壓器的工作品質(zhì)。

本文依托華北電力大學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的軟磁材料測(cè)試平臺(tái),通過實(shí)驗(yàn)測(cè)量獲得了硅鋼、鐵氧體、非晶、納米晶4種軟磁材料在1～20kHz頻率范圍內(nèi)、不同磁感應(yīng)強(qiáng)度下的磁化特性與損耗特性。在此基礎(chǔ)上,提出了供能系統(tǒng)高頻變壓器選材和工作頻點(diǎn)的設(shè)計(jì)建議。

1軟磁材料的磁化特性

軟磁材料的飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度表達(dá)了該材料中最大能夠?qū)ǖ拇磐芏取２牧暇哂懈唢柡痛鸥锌梢詼p小軟磁材料用量,有利于降低磁性器件的鐵損,并節(jié)約其他材料,如線圈銅導(dǎo)線等,減小設(shè)備體積。

磁導(dǎo)率是反映磁性材料激磁能力的重要指標(biāo)。軟磁材料的磁導(dǎo)率一般會(huì)隨著頻率發(fā)生變化,為了保證高頻設(shè)備工作在最佳頻點(diǎn),對(duì)4種軟磁材料的磁導(dǎo)率隨著頻率變化情況進(jìn)行了測(cè)量。圖1分別為4種軟磁材料的相對(duì)磁導(dǎo)率隨頻率和磁感應(yīng)強(qiáng)度變化的曲線。

由圖1可以看出,4種軟磁材料的相對(duì)磁導(dǎo)率在高頻范圍內(nèi)均存在明顯變化。硅鋼的相對(duì)磁導(dǎo)率隨著頻率升高而明顯降低:鐵氧體的相對(duì)磁導(dǎo)率在10kHz處出現(xiàn)異常波動(dòng):非晶的相對(duì)磁導(dǎo)率隨頻率升高逐漸降低,但存在異常波動(dòng)現(xiàn)象:納米晶(德國VAC公司生產(chǎn)）的相對(duì)磁導(dǎo)率在6～14kHz內(nèi)寬頻特性最平穩(wěn)。

2軟磁材料的損耗特性

軟磁材料的損耗通?？梢苑譃榇艤p耗、渦流損耗和剩余損耗三個(gè)部分。其中,磁滯損耗隨頻率線性增加,渦流損耗隨頻率冪次增加。為了合理地控制高頻損耗,提高供能系統(tǒng)的效率,減小供能系統(tǒng)體積,分別對(duì)4種軟磁材料的損耗隨頻率的變化情況進(jìn)行了測(cè)量。圖2分別為4種軟磁材料在頻率為5kHz和10kHz時(shí)的損耗曲線。

從圖2可以看出,當(dāng)頻率為5kHz時(shí),納米晶和鐵氧體的損耗接近,遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于非晶和硅鋼的損耗。將B=0.4T、/=5kHz時(shí)的損耗記作P0.4/5k,納米晶的P0.4/5k<2.5w/kg,硅鋼和非晶P0.4/5k>20w/kg。后者約為前者的8倍。當(dāng)頻率為10kHz時(shí),納米晶的損耗仍保持最低,且與其他3種軟磁材料相比,優(yōu)勢(shì)更明顯。與頻率為5kHz時(shí)的損耗相比,鐵氧體的損耗明顯上升,P0.4/10k=30w/kg,硅鋼和非晶的損耗為P0.4/5k>50w/kg,而納米晶的損耗為P0.4/5k<5w/kg,低于硅鋼損耗的1/10,低于鐵氧體損耗的1/6。由此可見,在高頻時(shí),納米晶的損耗遠(yuǎn)低于其他3種軟磁材料,且頻率越高,納米晶材料在損耗方面的優(yōu)越性越明顯。

3結(jié)語

綜合考慮軟磁材料的磁導(dǎo)率、飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度和損耗,納米晶的性能最優(yōu)異。結(jié)合德國VAC納米晶的磁化特性和損耗特性分析,以15w/kg為比損耗上限,無開口磁芯的最佳工作范圍為:磁感應(yīng)強(qiáng)度處于0.5～0.7T,工作頻率處于6～14kHz。