软磁材料高频磁化特性和损耗特性分析

引言

高频变压器广泛应用于高频开关电源、高频逆变电源及大功率DC-DC变换器等场合。提高高频变压器的工作频率可以提高能量密度、减小体积,有助于电源和变换器设备的集成化设计。然而随着工作频率的升高,变压器的铁芯损耗和温升也随之增加。因此,需要根据高频变压器铁芯材料的磁化特性和损耗特性,选择合适的工作频点。

目前,用于高频变压器磁芯的典型材料有硅钢、铁氧体、非晶、纳米晶,这4种典型磁芯材料的磁化特性、饱和磁密、矫顽力、磁导率、电阻率、磁滞伸缩系数、居里温度和叠片厚度等性能在很大程度上决定了高频变压器的工作品质。

本文依托华北电力大学国家重点实验室的软磁材料测试平台,通过实验测量获得了硅钢、铁氧体、非晶、纳米晶4种软磁材料在1～20kHz频率范围内、不同磁感应强度下的磁化特性与损耗特性。在此基础上,提出了供能系统高频变压器选材和工作频点的设计建议。

1软磁材料的磁化特性

软磁材料的饱和磁感应强度表达了该材料中最大能够导通的磁通密度。材料具有高饱和磁感可以减小软磁材料用量,有利于降低磁性器件的铁损,并节约其他材料,如线圈铜导线等,减小设备体积。

磁导率是反映磁性材料激磁能力的重要指标。软磁材料的磁导率一般会随着频率发生变化,为了保证高频设备工作在最佳频点,对4种软磁材料的磁导率随着频率变化情况进行了测量。图1分别为4种软磁材料的相对磁导率随频率和磁感应强度变化的曲线。

由图1可以看出,4种软磁材料的相对磁导率在高频范围内均存在明显变化。硅钢的相对磁导率随着频率升高而明显降低:铁氧体的相对磁导率在10kHz处出现异常波动:非晶的相对磁导率随频率升高逐渐降低,但存在异常波动现象:纳米晶(德国VAC公司生产）的相对磁导率在6～14kHz内宽频特性最平稳。

2软磁材料的损耗特性

软磁材料的损耗通常可以分为磁滞损耗、涡流损耗和剩余损耗三个部分。其中,磁滞损耗随频率线性增加,涡流损耗随频率幂次增加。为了合理地控制高频损耗,提高供能系统的效率,减小供能系统体积,分别对4种软磁材料的损耗随频率的变化情况进行了测量。图2分别为4种软磁材料在频率为5kHz和10kHz时的损耗曲线。

从图2可以看出,当频率为5kHz时,纳米晶和铁氧体的损耗接近,远远低于非晶和硅钢的损耗。将B=0.4T、/=5kHz时的损耗记作P0.4/5k,纳米晶的P0.4/5k<2.5w/kg,硅钢和非晶P0.4/5k>20w/kg。后者约为前者的8倍。当频率为10kHz时,纳米晶的损耗仍保持最低,且与其他3种软磁材料相比,优势更明显。与频率为5kHz时的损耗相比,铁氧体的损耗明显上升,P0.4/10k=30w/kg,硅钢和非晶的损耗为P0.4/5k>50w/kg,而纳米晶的损耗为P0.4/5k<5w/kg,低于硅钢损耗的1/10,低于铁氧体损耗的1/6。由此可见,在高频时,纳米晶的损耗远低于其他3种软磁材料,且频率越高,纳米晶材料在损耗方面的优越性越明显。

3结语

综合考虑软磁材料的磁导率、饱和磁感应强度和损耗,纳米晶的性能最优异。结合德国VAC纳米晶的磁化特性和损耗特性分析,以15w/kg为比损耗上限,无开口磁芯的最佳工作范围为:磁感应强度处于0.5～0.7T,工作频率处于6～14kHz。