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新型铁氧体应用于串联电抗器与进线电抗器

      一、串联电抗器与进线电抗器应用新型铁氧体的好处
      最尖端的功率铁氧体能够降低配置在太阳能光伏发电系统用功率调节器的升压斩波电路、逆变器平滑电路上的串联电抗器与进线电抗器的损耗。

      在市面上销售的适合单家独户的型号中,太阳能光伏发电系统用功率调节器的功率转换效率已经达到95%的水平,即便如此,例如4.5kW型号,其中的225W的电能被当作热量消耗掉。我们希望将损耗控制在两位数的水平。新型铁氧体能够切实支持各装配厂家的这一热切期盼,或许是磁性领域能够做到这一点的全世界首款功率铁氧体。

      作为适合大电流用途的大型磁芯材料,新型铁氧体不但实现了业内最高水平的饱和磁通密度430mT,而且实现了业内最低水平的磁芯损耗400kW/m3。有一种使用软磁金属材料制成的串联电抗器与进线电抗器,是在开关频率15到20kHz驱动的3到5kW级功率调节器上配置,而新型铁氧体能够以同等尺寸替代此类串联电抗器与进线电抗器。

      我们有UU、PQ、PM、EC等追求高效率磁路设计的各种形状的磁芯,以丰富的尺寸规格形成了品种的标准化。当然,我们也响应用户对特殊形状、试制的要求。在利用了以往型号的高饱和磁通密度材料、PE22的通用逆变器、不间断电源装置、铁路机车、电动汽车、混合动力汽车等应用上,可利用新型铁氧体设计比以往体积更小、损耗更低的串联电抗器与进线电抗器。

      二、串联电抗器与进线电抗器用新型铁氧体研发的现实背景
      不用在意串联电抗器与进线电抗器的损耗吗?新型铁氧体超越了以往的铁氧体物性极限,用户在讨论新型铁氧体会在应用中带来哪些好处时,请留意我们开发当初的设想: 适合单家独户住宅或集合住宅的光伏发电、中等规模风力发电、燃料电池发电等3.5到5.5kW规模的新型发电系统。

      在这些系统中不可或缺的功率调节器上,配置有多个在功率转换过程中发挥重要作用的串联电抗器与进线电抗器,但这些器件产生的损耗快要不能忽视了。在输出功率3kW、电感1mH、电流有效值15A、电流峰值24A、工作频率16kHz的情况下模拟串联电抗器与进线电抗器损耗 (逆变器平滑用),可知使用了Si高硅钢板、铁硅铝磁合金的串联电抗器与进线电抗器的损耗 (铁损+铜损) 大约14W,相当于额定输出容量3kW的0.47%。

      于是,针对使用了Si高硅钢板、铁硅铝磁合金的串联电抗器与进线电抗器,用工作频率16kHz模拟固有铁损,结果表明铁损上升到使用了铁氧体的串联电抗器与进线电抗器的大约3倍至10倍的水平。当然,会在串联电抗器与进线电抗器损耗上加上绕组的铜损,所以以下的铁损、磁芯损耗之差并非直接反映到串联电抗器与进线电抗器损耗上,但如同磁芯损耗失对比所示,对于使用了硅钢板、铁硅铝磁合金的串联电抗器与进线电抗器来说,为功率调节器设置的工作频率范围15到20kHz的 “20kHz” 就是接近可用极限的频率。

      即使增加硅含量以增大电阻率,将带钢板展薄后叠层以求缩小发生涡流的区域,使用了硅钢板的串联电抗器与进线电抗器的铁损水平也比拥有100倍以上的电阻率的铁氧体磁芯大,磁芯损耗随着频率升高以大的斜率上升。

     即便如此,模拟结果表明每个串联电抗器与进线电抗器的损耗仅为额定输出功率(3kW)的0.47%,两个的损失也不到1%,这就印证了其合理性,即便是标准的壁挂式薄型、小型市售型号,功率调节器的光电转换效率也已达到94-95%的水平,在实现零电流开关的软开关电路的改良、可大幅降低损耗的新型逆变器方式的应用等上,适合普通家庭、转换效率超过97%的4kW市售型号也面世了。从此类数值来看,让人觉得不必在意串联电抗器与进线电抗器损耗等。而且此前也的确如此。但是,今后又会如何呢?

      串联电抗器与进线电抗器的发热不可忽视的那一天。在新能源市场,各个主要国家大力发展太阳能光伏发电系统。尤其是欧洲的太阳能光伏发电系统市场,最近数年以年率50%持续增长,一跃成为世界最大的市场。建设规模达到数十兆瓦的大规模光伏发电站等,国家层面的措施也很受人瞩目,继德国的上网电价补贴政策 (Feed-in Tariff) 之后,西班牙、意大利等国家也开始执行同样的普及政策,很明显,这已成为欧洲市场快速发展的起爆剂。

      欧洲剩余电力收购制度的成功、在全世界出现普及迹象,在这样的背景下,估计尽早收回系统引进费用的需求会进一步提高,于是由行业组织检查、评价功率调节器的光电转换效率,根据评价结果排名并公诸于众的活动、将功率调节器效率纳入生态标志制度的对象的各国政府的工作也会迅速扩大。

      在互联网、报刊、杂志、产品目录等上,连同价格、耐用年数、保养和维护等信息一起公布光电转换效率。仅仅0.5%的差也会左右功率调节器甚至系统的优势性、对厂家的好感。这一状况正在成为在各国新能源市场通行的潮流。

      三、串联电抗器与进线电抗器应用新型铁氧体低损耗、高饱和磁通密度技术的实现
      不需要强制空冷风扇的效率分界线。作为高效率光电转换电路设计的最高境界,各厂家竞相瞄准超过98%的效率,可以设想串联电抗器与进线电抗器的 “−0.5%” 的差异也会发生改变市场地位的事态。在功率调节器不需要空冷风扇的散热设计分水岭,即使微小的区别也会切实拉开差距,领先一步。新型铁氧体或许是能够支持此类需求的,全世界首款功率铁氧体。

      在适用大功率用途的大型铁氧体磁芯类别上,我们在全世界率先开发出磁芯损耗达到业内最低水平的PC40、饱和磁通密度达到业内最高水平的PE22。我们以串联电抗器与进线电抗器、加热、磁感应等产业领域的应用为核心,响应用户对各种各样的大型磁芯的需求。

      在强化这两种材料的优势性,进行改良的工作中,我们敢于开拓 “以往的材料尚未达到的领域”,挑战磁特性,既大幅降低了磁芯损耗水平,又进一步提高了饱和磁通密度。

      其最初的成果见上图所示的开发过程,是为响应开关电源的最尖端需求而着手的PC40至PC47。现在,这一系列的磁芯损耗已达到大约40%以下的250kW/m3,饱和磁通密度也达到超过高饱和磁通密度材料PE22的420mT。

      PE22是作为适用大功率用途的高饱和磁通密度材料而开发的,而以PE22为起点着手相关工作的最新成果就是新型铁氧体。继PC47之后,这种材料再次超越铁氧体物性控制哲理的极限,开拓了新的材质特性领域。这在瞬间诞生了新型串联电抗器与进线电抗器的可能性,既以与应用了硅钢板、铁硅铝磁合金的传统型串联电抗器与进线电抗器同等的尺寸满足电路条件,又能够大幅降低串联电抗器与进线电抗器损耗 (铁损+铜损)。

      即使一点点的损失也切实降低的低损耗串联电抗器与进线电抗器的条件
      第一个条件: 针对各国最注重普及的家用太阳能光伏发电系统3.3到5.5kW功率调节器的峰值电流,获得能够顺利应对的饱和磁通密度。第二个条件: 在实际缠绕绕组,投入运行时的实际特性上,能够以肉眼明白无误地观察到的数值,降低使用了硅钢板、铁硅铝磁合金等传统磁芯材料的串联电抗器与进线电抗器产生的损耗,实现高效率化。只要符合这两个条件,能够实现即使一点点的损失也切实降低的低损耗串联电抗器与进线电抗器,也能支持在世界舞台上竞争效率1%之差的功率调节器开发团队。这一想法缔造了前所未有的铁氧体物性。

      在支持大功率用大型磁芯的铁氧体类别上,高饱和磁通密度为430mT,迫近以拥有行业最高水平的饱和磁通密度为荣的PC33的饱和磁通密度到达点; 同时磁芯损耗仅为400Kw/m3,低于低损耗材料PC40。尤其是降低磁芯损耗23%,这一成果为串联电抗器与进线电抗器设计赋予了前所未有的富裕度,是一个巨大的飞跃。

      试制的串联电抗器与进线电抗器明显终结了以往常识。
      铁氧体的优势在于成型加工容易、形状设计自由度大、将消除了浪费和不合理的理想磁路能够按用途自由追求,在众多优势性中,最突出的还是出类拔萃的低损耗,但铁氧体的饱和磁通密度小,不到软磁金属材料的一半,在工作频率15到20kHz的功率调节器电路条件下,磁芯容积、绕组体积均未能避免大型化,其杰出的低损耗优点并未得到活用。

      然而,新型铁氧体的出现使以上说法成为过去。在串联电抗器与进线电抗器设计上,重要的判断材料是直流重叠特性。从PE22到新型铁氧体,其实力是如何进步的呢? 以下表示其成果。

      此电抗器形状为W109xT55xH115mm,为二者设定相同级别的电感值 (1.1mH) 和气隙值,在试制电抗器中将取决于磁饱和 (电感从Idc=0A时的水平下降10%的状态) 的直流重叠电流峰值调到20A左右,利用这样的电抗器实测了数据。

      以往的高饱和磁通密度材料PE22在电流19A时达到磁饱和,而新开发的新型铁氧体将饱和电流提高了大约10%,到21A维持了电抗器的功能。这一提高是从哪里获得的呢?我们略作详细确认。

      从上图的饱和磁通密度-温度特性对比例子可知,PE22在100°C条件下的饱和磁通密度为410mT,而新型铁氧体为430mT。二者相差4.8%左右。尽管如此,新型铁氧体的直流重叠特性却大幅改进了—对比二者的磁芯损耗和磁化曲线即可明白其中道理。100°C条件下的新型铁氧体的磁芯损耗被限制在低于PE22的23%的水平。为此,磁通密度的建立过程迅速,而且在达到饱和前维持B-H回线的直线性。

      也就是说,新型铁氧体通过涉足以往的高饱和磁通密度材料未能触及的低磁芯损耗材料领域,毫不勉强地实现了与应用软磁金属的传统型电抗器同等尺寸的低损耗电抗器,获得了杰出的直流重叠特性。以往的高饱和磁通密度材料PE22在电流19A时达到磁饱和,而新开发的新型铁氧体将饱和电流提高了大约10%,到21A维持了电抗器的功能。这一提高是从哪里获得的呢? 我们略作详细确认。

      从上图的饱和磁通密度-温度特性对比例子可知,PE22在100°C条件下的饱和磁通密度为410mT,而新型铁氧体为430mT。二者相差4.8%左右。尽管如此,新型铁氧体的直流重叠特性却大幅改进了—对比二者的磁芯损耗和磁化曲线即可明白其中道理。00°C条件下的新型铁氧体的磁芯损耗被限制在低于PE22的23%的水平。为此,磁通密度的建立过程迅速,而且在达到饱和前维持B-H回线的直线性。

      也就是说,新型铁氧体通过涉足以往的高饱和磁通密度材料未能触及的低磁芯损耗材料领域,毫不勉强地实现了与应用软磁金属的传统型电抗器同等尺寸的低损耗电抗器,获得了杰出的直流重叠特性。

      逆变器平滑用电抗器的损耗模拟(参考值)可挽回大约30%的浪费。接着,我们对比了铁损和铜损之和的总损耗,亦即对比了配置在功率调节器的电抗器的 “实力”。我们以适用3kW规模的家用太阳能光伏发电系统用功率调节器的逆变器平滑电路所用的电抗器为对象,做了模拟。

      应用新型铁氧体材料磁芯时,大约降低应用同等尺寸Si高硅钢板的电抗器损耗33%,大约降低应用铁硅铝磁合金的电抗器损耗30%,获得了削减损耗的结果。当然,这一结果只表示大致的情况 (参考值),但或许可从该值看到利用新型铁氧体加速的可能性之一。

      四、串联电抗器与进线电抗器应用新型铁氧体的前景展望
      在30到50kHz驱动功率调节器上的应用前景,多数效率达到95%水平的功率调节器配置有同时实现高速驱动和低损耗的沟槽型IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor: 绝缘栅双极型晶体管),但嵌有高速软恢复二极管的这种IGBT可支持最大30kHz左右的开关。此外,适合大电流用途的IGBT的低损耗化和高速化近年来也快速发展,将功率调节器的高速开关纳入视野的30到50kHz驱动元件也问世了。

      零电流开关电路设计技术也获得积极的进展,根据从今天的尖端机型达到的效率水平,估计开关损耗将被控制在几乎不会成为问题的水平。基于这一状况,假设将包含升压斩波电路用在内的,配置的全部传统电抗器替换为应用了新型铁氧体的电抗器,根据新型铁氧体的磁芯损耗-频率特性,找不到将功率调节器的工作频率仍设为15到20kHz的积极理由。例如,将工作频率设为现在的2倍、30到35kHz的频率区域,尽管难以使用硅钢板、铁硅铝磁合金,但新型铁氧体在依然能够使用。

      图中解释了利用新型铁氧体材料实现下一代功率调节器的高速驱动的情况(将频率从现在的15到20kHz提高到30到35kHz);从频率区域来看,新型铁氧体的磁芯损耗仍远低于15到20kHz时的铁硅铝磁合金的磁芯损耗水平。尽管铜损也增加了,但频率升高使得需要的磁通密度减小,还可做到磁芯的小型化,因此还可抑制代表单位体积损耗的磁芯损耗的上升。通过在各种各样的电路条件下反复模拟,可见能够以更小的形状达到高效率功率调节器的最高层次,让人似乎看到电抗器的新局面。

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