引言

高頻變壓器廣泛應用于高頻開關電源、高頻逆變電源及大功率DC-DC變換器等場合。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備的集成化設計。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。

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國家重點實驗室的軟磁材料測試平臺,通過實驗測量獲得了硅鋼、鐵氧體、非晶、納米晶4種軟磁材料在1～20kHz頻率范圍內(nèi)、不同磁感應強度下的磁化特性與損耗特性。在此基礎上,提出了供能系統(tǒng)高頻變壓器選材和工作頻點的設計建議。

1軟磁材料的磁化特性

軟磁材料的飽和磁感應強度表達了該材料中最大能夠?qū)ǖ拇磐芏?。材料具有高飽和磁感可以減小軟磁材料用量,有利于降低磁性器件的鐵損,并節(jié)約其他材料,如線圈銅導線等,減小設備體積。

磁導率是反映磁性材料激磁能力的重要指標。軟磁材料的磁導率一般會隨著頻率發(fā)生變化,為了保證高頻設備工作在最佳頻點,對4種軟磁材料的磁導率隨著頻率變化情況進行了測量。圖1分別為4種軟磁材料的相對磁導率隨頻率和磁感應強度變化的曲線。

由圖1可以看出,4種軟磁材料的相對磁導率在高頻范圍內(nèi)均存在明顯變化。硅鋼的相對磁導率隨著頻率升高而明顯降低:鐵氧體的相對磁導率在10kHz處出現(xiàn)異常波動:非晶的相對磁導率隨頻率升高逐漸降低,但存在異常波動現(xiàn)象:納米晶(德國VAC公司生產(chǎn)）的相對磁導率在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4種軟磁材料的損耗隨頻率的變化情況進行了測量。圖2分別為4種軟磁材料在頻率為5kHz和10kHz時的損耗曲線。

從圖2可以看出,當頻率為5kHz時,納米晶和鐵氧體的損耗接近,遠遠低于非晶和硅鋼的損耗。將B=0.4T、/=5kHz時的損耗記作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。當頻率為10kHz時,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)勢更明顯。與頻率為5kHz時的損耗相比,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,納米晶的損耗遠低于其他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結語

綜合考慮軟磁材料的磁導率、飽和磁感應強度和損耗,納米晶的性能最優(yōu)異。結合德國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:磁感應強度處于0.5～0.7T,工作頻率處于6～14kHz。