新型鐵氧體應(yīng)用于串聯(lián)電抗器與進線電抗器

      一、串聯(lián)電抗器與進線電抗器應(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)電抗器與進線電抗器的損耗。

      在市面上銷售的適合單家獨戶的型號中，太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)用功率調(diào)節(jié)器的功率轉(zhuǎn)換效率已經(jīng)達到95%的水平，即便如此，例如4.5kW型號，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支持各裝配廠家的這一熱切期盼，或許是磁性領(lǐng)域能夠做到這一點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，新型鐵氧體不但實現(xiàn)了業(yè)內(nèi)最高水平的飽和磁通密度430mT，而且實現(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)電抗器與進線電抗器，是在開關(guān)頻率15到20kHz驅(qū)動的3到5kW級功率調(diào)節(jié)器上配置，而新型鐵氧體能夠以同等尺寸替代此類串聯(lián)電抗器與進線電抗器。

      我們有UU、PQ、PM、EC等追求高效率磁路設(shè)計的各種形狀的磁芯，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)用戶對特殊形狀、試制的要求。在利用了以往型號的高飽和磁通密度材料、PE22的通用逆變器、不間斷電源裝置、鐵路機車、電動汽車、混合動力汽車等應(yīng)用上，可利用新型鐵氧體設(shè)計比以往體積更小、損耗更低的串聯(lián)電抗器與進線電抗器。

      二、串聯(lián)電抗器與進線電抗器用新型鐵氧體研發(fā)的現(xiàn)實背景
      不用在意串聯(lián)電抗器與進線電抗器的損耗嗎？新型鐵氧體超越了以往的鐵氧體物性極限，用戶在討論新型鐵氧體會在應(yīng)用中帶來哪些好處時，請留意我們開發(fā)當(dāng)初的設(shè)想: 適合單家獨戶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，配置有多個在功率轉(zhuǎn)換過程中發(fā)揮重要作用的串聯(lián)電抗器與進線電抗器，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)電抗器與進線電抗器損耗 (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)電抗器與進線電抗器的損耗 (鐵損+銅損) 大約14W，相當(dāng)于額定輸出容量3kW的0.47%。

      于是，針對使用了Si高硅鋼板、鐵硅鋁磁合金的串聯(lián)電抗器與進線電抗器，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)電抗器與進線電抗器的大約3倍至10倍的水平。當(dāng)然，會在串聯(lián)電抗器與進線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)電抗器與進線電抗器損耗上，但如同磁芯損耗失對比所示，對于使用了硅鋼板、鐵硅鋁磁合金的串聯(lián)電抗器與進線電抗器來說，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)電抗器與進線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)果表明每個串聯(lián)電抗器與進線電抗器的損耗僅為額定輸出功率(3kW)的0.47%，兩個的損失也不到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，功率調(diào)節(jié)器的光電轉(zhuǎn)換效率也已達到94-95%的水平，在實現(xiàn)零電流開關(guān)的軟開關(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97%的4kW市售型號也面世了。從此類數(shù)值來看，讓人覺得不必在意串聯(lián)電抗器與進線電抗器損耗等。而且此前也的確如此。但是，今后又會如何呢？

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

      歐洲剩余電力收購制度的成功、在全世界出現(xiàn)普及跡象，在這樣的背景下，估計盡早收回系統(tǒng)引進費用的需求會進一步提高，于是由行業(yè)組織檢查、評價功率調(diào)節(jié)器的光電轉(zhuǎn)換效率，根據(jù)評價結(jié)果排名并公諸于眾的活動、將功率調(diào)節(jié)器效率納入生態(tài)標(biāo)志制度的對象的各國政府的工作也會迅速擴大。

      在互聯(lián)網(wǎng)、報刊、雜志、產(chǎn)品目錄等上，連同價格、耐用年數(shù)、保養(yǎng)和維護等信息一起公布光電轉(zhuǎn)換效率。僅僅0.5%的差也會左右功率調(diào)節(jié)器甚至系統(tǒng)的優(yōu)勢性、對廠家的好感。這一狀況正在成為在各國新能源市場通行的潮流。

      三、串聯(lián)電抗器與進線電抗器應(yīng)用新型鐵氧體低損耗、高飽和磁通密度技術(shù)的實現(xiàn)
      不需要強制空冷風(fēng)扇的效率分界線。作為高效率光電轉(zhuǎn)換電路設(shè)計的最高境界，各廠家競相瞄準(zhǔn)超過98%的效率，可以設(shè)想串聯(lián)電抗器與進線電抗器的 “−0.5%” 的差異也會發(fā)生改變市場地位的事態(tài)。在功率調(diào)節(jié)器不需要空冷風(fēng)扇的散熱設(shè)計分水嶺，即使微小的區(qū)別也會切實拉開差距，領(lǐng)先一步。新型鐵氧體或許是能夠支持此類需求的，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別上，我們在全世界率先開發(fā)出磁芯損耗達到業(yè)內(nèi)最低水平的PC40、飽和磁通密度達到業(yè)內(nèi)最高水平的PE22。我們以串聯(lián)電抗器與進線電抗器、加熱、磁感應(yīng)等產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用為核心，響應(yīng)用戶對各種各樣的大型磁芯的需求。

      在強化這兩種材料的優(yōu)勢性，進行改良的工作中，我們敢于開拓 “以往的材料尚未達到的領(lǐng)域”，挑戰(zhàn)磁特性，既大幅降低了磁芯損耗水平，又進一步提高了飽和磁通密度。

      其最初的成果見上圖所示的開發(fā)過程，是為響應(yīng)開關(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到大約40%以下的250kW/m3，飽和磁通密度也達到超過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發(fā)的，而以PE22為起點著手相關(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)電抗器與進線電抗器的可能性，既以與應(yīng)用了硅鋼板、鐵硅鋁磁合金的傳統(tǒng)型串聯(lián)電抗器與進線電抗器同等的尺寸滿足電路條件，又能夠大幅降低串聯(lián)電抗器與進線電抗器損耗 (鐵損+銅損)。

      即使一點點的損失也切實降低的低損耗串聯(lián)電抗器與進線電抗器的條件
      第一個條件: 針對各國最注重普及的家用太陽能光伏發(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)對的飽和磁通密度。第二個條件: 在實際纏繞繞組，投入運行時的實際特性上，能夠以肉眼明白無誤地觀察到的數(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)電抗器與進線電抗器產(chǎn)生的損耗，實現(xiàn)高效率化。只要符合這兩個條件，能夠?qū)崿F(xiàn)即使一點點的損失也切實降低的低損耗串聯(lián)電抗器與進線電抗器，也能支持在世界舞臺上競爭效率1%之差的功率調(diào)節(jié)器開發(fā)團隊。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點; 同時磁芯損耗僅為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)電抗器與進線電抗器設(shè)計賦予了前所未有的富裕度，是一個巨大的飛躍。

      試制的串聯(lián)電抗器與進線電抗器明顯終結(jié)了以往常識。
      鐵氧體的優(yōu)勢在于成型加工容易、形狀設(shè)計自由度大、將消除了浪費和不合理的理想磁路能夠按用途自由追求，在眾多優(yōu)勢性中，最突出的還是出類拔萃的低損耗，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)點并未得到活用。

      然而，新型鐵氧體的出現(xiàn)使以上說法成為過去。在串聯(lián)電抗器與進線電抗器設(shè)計上，重要的判斷材料是直流重疊特性。從PE22到新型鐵氧體，其實力是如何進步的呢？ 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測了數(shù)據(jù)。

      以往的高飽和磁通密度材料PE22在電流19A時達到磁飽和，而新開發(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？我們略作詳細確認。

      從上圖的飽和磁通密度-溫度特性對比例子可知，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了—對比二者的磁芯損耗和磁化曲線即可明白其中道理。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，磁通密度的建立過程迅速，而且在達到飽和前維持B-H回線的直線性。

      也就是說，新型鐵氧體通過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，毫不勉強地實現(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時達到磁飽和，而新開發(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？ 我們略作詳細確認。

      從上圖的飽和磁通密度-溫度特性對比例子可知，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了—對比二者的磁芯損耗和磁化曲線即可明白其中道理。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，磁通密度的建立過程迅速，而且在達到飽和前維持B-H回線的直線性。

      也就是說，新型鐵氧體通過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，毫不勉強地實現(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。接著，我們對比了鐵損和銅損之和的總損耗，亦即對比了配置在功率調(diào)節(jié)器的電抗器的 “實力”。我們以適用3kW規(guī)模的家用太陽能光伏發(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象，做了模擬。

      應(yīng)用新型鐵氧體材料磁芯時，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)電抗器與進線電抗器應(yīng)用新型鐵氧體的前景展望
      在30到50kHz驅(qū)動功率調(diào)節(jié)器上的應(yīng)用前景，多數(shù)效率達到95%水平的功率調(diào)節(jié)器配置有同時實現(xiàn)高速驅(qū)動和低損耗的溝槽型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也快速發(fā)展，將功率調(diào)節(jié)器的高速開關(guān)納入視野的30到50kHz驅(qū)動元件也問世了。

      零電流開關(guān)電路設(shè)計技術(shù)也獲得積極的進展，根據(jù)從今天的尖端機型達到的效率水平，估計開關(guān)損耗將被控制在幾乎不會成為問題的水平。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現(xiàn)下一代功率調(diào)節(jié)器的高速驅(qū)動的情況(將頻率從現(xiàn)在的15到20kHz提高到30到35kHz)；從頻率區(qū)域來看，新型鐵氧體的磁芯損耗仍遠低于15到20kHz時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。通過在各種各樣的電路條件下反復(fù)模擬，可見能夠以更小的形狀達到高效率功率調(diào)節(jié)器的最高層次，讓人似乎看到電抗器的新局面。