基于高頻變壓器納米晶磁芯損耗分析與計算

吳健鋒

摘? 要：隨著電子信息技術飛速發展，各類小型輕量化的電子設備的電源系統層出不窮，其固態變壓器作為這類設備的代表性電氣設備得到了高度的重視。而固態變壓器的核心部件是高頻變壓器，它是設備體積和重量的主要占有者和發熱源，主要用于能量（功率）的轉換與傳輸。而磁芯損耗作為影響能量轉換與傳輸效率的重要損耗之一，因此對于它的分析至關重要。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。并且運用一種新的磁芯損耗計算方法——流量波形系數Steinmetz方程。

關鍵詞：高頻變壓器;納米晶;磁芯損耗;流量波形系數Steinmetz方程

中圖分類號：TM341? ? ? ? 文獻標志碼：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的磁性元件實現電流隔離，諧波濾波，能量存儲和功率級的參數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。長期以來一直認為，隨著運行和開關頻率的不斷增加，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計而降低;另一方面，鐵芯和繞組損耗密度相應增加。由于整機體積的限制，不斷提高開關頻率而出現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計。文獻[2]中建立了磁芯損耗模型進行研究分析。有對磁芯材料選擇和磁芯損耗和電感進行了優化分析，著重介紹了變壓器的電感在雙電橋（DAB）轉換器中起著至關重要的作用，從而確定功率傳輸，因此，論文研究了繞組結構的電感優化問題。有選用納米晶作為磁芯材料進行高頻變壓器設計。從改進的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行了比較分析，并基于三維表征給出了依據Steinmetz系數衡量高頻損耗密度水平的方法。

適用于高密度設計的理想軟磁材料應具有高飽和度密度，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，必須進行妥協。對于頻率高于100 kHz的應用，鐵氧體磁芯傳統上是獨特的選擇，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基非晶態金屬和Ni-Fe合金（坡莫合金），對于高密度偏差要求的應用仍然很受歡迎。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低的損耗密度，而它們的飽和磁導率密度通常可以在1特斯拉以上。諧振和軟開關方案通常用于基于Si功率器件的轉換器的高頻轉換器操作，所以精確的磁芯損耗計算需要通過應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）不能直接應用于諧振操作。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計至關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超晶粒是優良軟磁性能的基礎。了解材料微觀結構不會自動導致可行且準確的物料損失計算。制造商提供的有限物料損失數據，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用。在本文中，對于高達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。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

為了實現高功率密度設計，應該充分利用磁性元件進行散熱。除了有效的散熱設計外，準確的磁芯損耗計算以及繞組損耗計算至關重要。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，則可以運用改進的Steinmetz方程，廣義Steinmetz方程的擴展方法已被開發用于擴展到任意波形，通過將通量密度的變化率與原始頻率相關聯。然而，在高頻應用中常常采用諧振轉換器來降低開關損耗的情況下，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，以適應更復雜的諧振操作波形。應該指出的是，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渦流損耗進行分離，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提取，因此更難以用于實踐設計人員。

3 結論

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

參考文獻：

[1]孫愛鳴.開關變換器功率磁芯損耗模型的研究[D].南京郵電大學，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：河北工業大學，2014.