基于高頻變壓器納米晶磁芯損耗分析與計算

吳健鋒

摘? 要：隨著電子信息技術(shù)飛速發(fā)展，各類小型輕量化的電子設(shè)備的電源系統(tǒng)層出不窮，其固態(tài)變壓器作為這類設(shè)備的代表性電氣設(shè)備得到了高度的重視。而固態(tài)變壓器的核心部件是高頻變壓器，它是設(shè)備體積和重量的主要占有者和發(fā)熱源，主要用于能量（功率）的轉(zhuǎn)換與傳輸。而磁芯損耗作為影響能量轉(zhuǎn)換與傳輸效率的重要損耗之一，因此對于它的分析至關(guān)重要。文章研究了納米晶磁性材料的損耗密度為500kHz和1特斯拉以上的損耗特性。測量并給出了在不同工作溫度到150℃下材料的磁滯磁化曲線和損耗密度。并且運(yùn)用一種新的磁芯損耗計算方法——流量波形系數(shù)Steinmetz方程。

關(guān)鍵詞：高頻變壓器;納米晶;磁芯損耗;流量波形系數(shù)Steinmetz方程

中圖分類號：TM341? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：2095-2945（2019）09-0016-02

Abstract： With the rapid development of electronic information technology， the power supply systems of all kinds of small lightweight electronic equipment emerge in endlessly. As the representative electrical equipment of this kind of equipment， its solid-state transformer has been highly valued. The core component of solid-state transformer is high-frequency transformer， which is the main occupant and heat source of the volume and weight of the equipment， and is mainly used for the conversion and transmission of energy （power）. As one of the important losses that affect the energy conversion and transmission efficiency， the core loss is very important for its analysis. In this paper， the loss characteristics of nanocrystalline magnetic materials with loss density of 500 kHz and more than 1 Tesla have been studied. The hysteresis magnetization curves and loss density of the materials at different operating temperatures up to 150 ℃ are measured and given. A new calculation method of core loss， Steinmetz equation of flow waveform coefficient， is used.

Keywords： high frequency transformer; nanocrystalline; core loss; flow waveform coefficient Steinmetz equation

引言

包括變壓器和電感器在內(nèi)的磁性元件實現(xiàn)電流隔離，諧波濾波，能量存儲和功率級的參數(shù)匹配以及功率變換器中的控制電路的功能，它們通常決定著變換器的尺寸。長期以來一直認(rèn)為，隨著運(yùn)行和開關(guān)頻率的不斷增加，隨之而來的是磁性物理尺寸的不斷減小。然而，設(shè)計困境可能伴隨著頻率的升高而增大。一方面，磁性元件的散熱表面由于較高密度設(shè)計而降低;另一方面，鐵芯和繞組損耗密度相應(yīng)增加。由于整機(jī)體積的限制，不斷提高開關(guān)頻率而出現(xiàn)的散熱問題便不容小覷[1]。因此，需要注意磁性材料選擇和相關(guān)的磁芯損耗計算，特別是對于高頻高密度磁性元件和功率變換器設(shè)計。文獻(xiàn)[2]中建立了磁芯損耗模型進(jìn)行研究分析。有對磁芯材料選擇和磁芯損耗和電感進(jìn)行了優(yōu)化分析，著重介紹了變壓器的電感在雙電橋（DAB）轉(zhuǎn)換器中起著至關(guān)重要的作用，從而確定功率傳輸，因此，論文研究了繞組結(jié)構(gòu)的電感優(yōu)化問題。有選用納米晶作為磁芯材料進(jìn)行高頻變壓器設(shè)計。從改進(jìn)的Steinmetz公式入手，對PWM方波激勵下鐵氧體、非晶材料和納米晶的鐵芯損耗特性進(jìn)行了比較分析，并基于三維表征給出了依據(jù)Steinmetz系數(shù)衡量高頻損耗密度水平的方法。

適用于高密度設(shè)計的理想軟磁材料應(yīng)具有高飽和度密度，高滲透性，低損耗密度和高溫度。實際上，在從可用的材料特性中選擇時，必須進(jìn)行妥協(xié)。對于頻率高于100 kHz的應(yīng)用，鐵氧體磁芯傳統(tǒng)上是獨(dú)特的選擇，因為它們的損耗密度較低。然而，具有高飽和流體密度的鐵磁材料，如Fe和Co基非晶態(tài)金屬和Ni-Fe合金（坡莫合金），對于高密度偏差要求的應(yīng)用仍然很受歡迎。研究人員一直在尋找損耗較小的鐵磁材料。1988年，吉澤等引入了一類新型的鐵基合金，納米晶體，具有優(yōu)越的軟磁性能。為了比較的目的，通過作者測量了一種類型的納米晶體材料FT-3M的損耗密度，顯然，即使與鐵氧體相比，納米晶磁性材料也具有相當(dāng)?shù)偷膿p耗密度，而它們的飽和磁導(dǎo)率密度通?？梢栽?特斯拉以上。諧振和軟開關(guān)方案通常用于基于Si功率器件的轉(zhuǎn)換器的高頻轉(zhuǎn)換器操作，所以精確的磁芯損耗計算需要通過應(yīng)用于磁性元件的諧振操作來考慮非正弦波形。以前的損耗計算方法（通常以PWM型波形為目標(biāo)）不能直接應(yīng)用于諧振操作。因此，考慮到諧振操作波形下的納米晶體材料的損耗計算方法是需要的，以確保對高密度磁性設(shè)計至關(guān)重要的精確的磁芯損耗計算。

1 納米晶磁芯材料特性

已知在納米晶軟磁材料中，典型晶粒尺寸為10-15nm的Fe-Si超晶粒是優(yōu)良軟磁性能的基礎(chǔ)。了解材料微觀結(jié)構(gòu)不會自動導(dǎo)致可行且準(zhǔn)確的物料損失計算。制造商提供的有限物料損失數(shù)據(jù)，特別是對于100kHz以上的頻率，阻礙了納米晶體材料對高頻磁性的應(yīng)用。在本文中，對于高達(dá)500kHz的頻率和高于1特斯拉的流體密度，測量納米晶體材料的磁芯損耗密度。分析計算也將有助于制定磁性設(shè)計所需的磁芯損耗模型。FT-3M被選為其中檔典型特征和可用性。

1.1 材料損耗特性

高頻材料特點主要是其材料的磁化曲線（曲線），如頻率和溫度的函數(shù)。回路不僅顯示材料磁化過程，而且可定量地用于定量計算材料特性。在一定頻率下，磁性材料的損耗密度可以表示為式（1）。

（1）

1.2 磁化曲線

2 磁芯損耗計算

為了實現(xiàn)高功率密度設(shè)計，應(yīng)該充分利用磁性元件進(jìn)行散熱。除了有效的散熱設(shè)計外，準(zhǔn)確的磁芯損耗計算以及繞組損耗計算至關(guān)重要。對于正弦波形，可以直接采用Steinmetz方程（2）。對于PWM變換器中最流行的方波形，則可以運(yùn)用改進(jìn)的Steinmetz方程，廣義Steinmetz方程的擴(kuò)展方法已被開發(fā)用于擴(kuò)展到任意波形，通過將通量密度的變化率與原始頻率相關(guān)聯(lián)。然而，在高頻應(yīng)用中常常采用諧振轉(zhuǎn)換器來降低開關(guān)損耗的情況下，施加到磁性元件的波形可能不是非正弦的，而是正方形。需要可覆蓋諧振型波形和納米晶體材料的磁芯計算方法。在本文中，我們建議通過考慮流型波形來修改原始值，以適應(yīng)更復(fù)雜的諧振操作波形。應(yīng)該指出的是，許多過去的工作也嘗試對波形形狀沒有太大影響的磁芯靜電損傷和動態(tài)渦流損耗進(jìn)行分離，這可以通過求解考慮激勵波形的麥克斯韋方程來獲得。然而，這些方法需要大量的測量和參數(shù)提取，因此更難以用于實踐設(shè)計人員。

3 結(jié)論

本文分析了納米晶磁芯的損耗特性，并且推導(dǎo)運(yùn)用一種新的磁芯損耗計算方法——流量波形系數(shù)Steinmetz方程。該方法可以根據(jù)詳細(xì)的通量密度和電壓波形來確定磁通波形系數(shù)。因此，使用數(shù)據(jù)表中的損耗密度值和某個任意形狀波形的通量波形系數(shù)，我們可以計算出該波形下的磁芯損耗。本文所推導(dǎo)出的方法實質(zhì)上是對原有方法的修改和擴(kuò)展，具有一般性與可行性。

參考文獻(xiàn)：

[1]孫愛鳴.開關(guān)變換器功率磁芯損耗模型的研究[D].南京郵電大學(xué)，2016.

[2]趙爭菡.電力電子變壓器中高頻變壓器磁芯和繞組特性的研究[D].天津：河北工業(yè)大學(xué)，2014.