第二讲高频功率磁性材料特性与应用

第二讲 高频功率磁性材料特性与应用
主讲：陈为 博士
福州大学电气工程与自动化学院 教授，博导 中国电源学会常务理事、磁技术专业委员会主任委员
功率变换器磁元件技术系列讲座 2016.10.29 南京
主要内容
功率变换器中的软磁材料 磁性材料基本电气特性 磁性材料损耗特性 磁性材料的性能评价指标 磁性材料的组合应用技术
E储存磁能 1 1 LI2 H 2 2 2
( .H2 ): 磁材料储能因子
H2
lg lc

i u
c
高频磁芯损耗测量的误差分析与困难
A l Pc e e T

T
P U I cos
1 H ( t ) dB ( t ) T
i(t)

T
i ( t ) u ( t ) dt
20
30
40
32
1.5
29 Hk
59.5
90 90
32
32
32
Hdc=0, Pc=504 (kw/m3)
0.37 0.37 0.27 0.17 Bk 0.075 0.023 0.12 0.22 0.22
Bk
Hdc=6.93A/m, Pc=506( kw/m3)
0.37 0.37 0.27 0.17 0.075 0.023 0.12 0.22 0.22
v(t)
磁芯损耗与如下因素有关: 材料材质； 工作频率 f； 交流磁密 Bac； 工作温度 T； 直流偏磁磁密 Bdc； 励磁波形 D。
Um
B(t)
0.5T T- T t
0 Im
0.5(T-2)
v(t) B(t)
功率变换器常见励磁波形
铁氧体磁材料损耗的温度特性
稳定区域
不稳定区域
易磁化(磁导率大)，易退磁(矫顽力Hc小)，磁滞
Hc Hc
H
回线是窄长矩形： 用于两态记忆以及磁开关 磁鼓，磁放大器， 磁开关。
软磁材料的电磁参数
Bm Bs Br
Hc
Hc

B
饱和磁密：
Bs
Br
H
剩磁磁密：
初始磁导率：
i
1 B
0 H
ˆ 1 B ˆ 0 H
H 0
幅值磁导率：
r 60 60 60 60 5500 5500
Pcv(kW/m3) 600 400 360 150 300 40
(o) 88.4 88.9 89.0 89.6 80.6 85.0
QCV
Pcv
软磁磁芯材料基本分类
粉材 Fe (铁粉芯) MPP (铁镍钼合金) High-Flux (高通铁镍合金) Kool-Mu (铁硅铝合金) Fe-Si (铁硅合金) 块材 Mn-Zn Ni-Zn 带材 Silicon steel (硅钢片) Permalloy (铁镍合金) Amorphous (非晶) Nanocrystalline (纳米晶)
变压器
TX CMC DMC PFC SR L
输出滤波电感
电感器
D2A
PFC电感 逆变电感
滤波器电感
CM滤波电感 DM滤波电感
Bs
Br
i(f)
(Hdc)
a(B)
磁性材料的磁芯损耗
B
b
b
b
磁滞损耗
c a e d
Pin (i u )dt (
a c
a
H le dB ) ( NAe ) dt Ae le H dB N dt a
应用:
Br/Bm(矩形比) 磁放大器(无气隙) Bs(饱和磁密) 逆变电感(有气隙)
切割带材磁芯的附加磁芯损耗
磁通 扩散
端面 短路
铁氧体磁材料
Mn-Zn Ferrite (Fe2O3+MnO+ZnO): 高磁导率，电阻率相对小，磁滞损耗小，涡流损耗大 Ni-Zn Ferrite (Fe2O3+NiO+ZnO): 低磁导率，电阻率高，磁滞损耗大，涡流损耗小
涡流损耗大小取决于铁磁材料本身的电导率 涡流损耗大小与激磁工作频率的平方成正比 涡流损耗大小与磁通密度大小的平方成正比
磁芯损耗基本模型-Steinmetz模型
损耗 vs. 温度

损耗 vs. 频率f，磁密B
PCV K f s B (C0 C1 T C2 T 2 )
软磁材料的基本电磁特性
Ferrite 3F3
Frequency
Complex permeability with fs
Temperature DC bias
Initial permeability with T
Incremental permeability with HDC
软磁材料的电气参数应用

b
H
Pout (i u )dt Ae le H dB
b
b
c
i u
磁滞损耗大小取决于铁磁材料本身的品质 磁滞损耗大小与激磁工作频率成正比 磁滞损耗大小与磁通密度大小的平方成正比
涡流损耗
Ae le
Pe ddy

2
f 2 B 2 le Ae 2
Hdc=13.85A/m, Pc=526 (kw/m3)
0.37 0.37 0.27 0.17 Bk 0.075 0.023 0.12 0.22 0.22
32
1.5
29 Hk
59.5
90 90
32
1.5
29 Hk
59.5
90 90
32
1.5
29 Hk
59.5
90 90
32
32
32
Hdc=20.77A/m, Pc=584 ( kw/m3 )
0.37 0.37 0.27 0.17 Bk 0.075 0.023 0.12 0.22 0.22 32 1.5 29 Hk 59.5 90 90 Bk 0.37 0.37 0.27 0.17 0.075 0.023 0.12 0.22 0.22 32 1.5 29 Hk 59.5 90 90
应用:
电阻率很大 适合高频应用 高导铁氧体(锰锌) EMI共模电感 功率铁氧体(锰锌) 功率变压器 低导铁氧体(镍锌) 输出EMI滤波器
铁氧体磁材料的发展
Mn-Zn ferrites for power applications High Bs PC8x
Under Development
高频磁件损耗特性测量
VL 实际励 磁波形
不对称PWM
VL
对称PWM
B
VL
正弦
交流功率计法
PFC/逆变
∆H
∆B H
P U I tg ( ) U P I P U I tg ( ) t f P U I
高频率和阻抗角对损耗精度影响很大
磁芯损耗的影响因素
tg ( )
Material Magnetics XFlux60 磁粉芯 Magnetics HF60 Magnetics KM60 Magnetics MPP60 铁氧体 Ferroxcube 3C96 Ferroxcube 3C96
B(T) 0.1 0.1 0.1 0.1 0.2 0.1
f(kHz) 50 50 50 50 100 100
Bw 1 B max B min
u

T
(
dB 2 ) dt dt
B
Bw_ sin (Bmax Bmin)
2

2
2
fsin_eq
Bw_ arb

1 (Bk 1 Bk )2 (Bmax Bmin) k tk 1 tk

f sin_ eq

2
(
k
B k 1 B k 2 1 ) B max B min t k 1 t k
B
a

B

ˆ B
i a
H
增量磁导率：
1 B 0 H
H DC
H
复数磁导率：
s s j s
ˆ H
各类电感测量仪器
阻抗分析仪
B-H 分析仪
LCR表
LCR表
交流次特 性测量仪
直流偏 置源
B Bdc H
Ba
B Bdc H
B H
初始磁导率
幅值电感/磁导率
增量电感/磁导率
Pcv K f s Bac Pcv f s (K f s
SIN 励磁功率
1
Bac )


单位周期损耗
or,
f sin_ eq
2
2 ( | v(t ) | dt ) 2
T

4
v(t )
T
2
dt
Pcv f s (k fsin_eq
1
Bac ) PWM 励磁功率
磁性材料的分类
软磁材料 B
易磁化(磁导率大)，易退磁(矫顽力Hc小)，磁滞
Hc
Hc
B
H
回线呈窄斜长形： 用于构成导磁通路 用于变压器、电感器中的 磁芯。
硬磁材料
难磁化(磁导率小)，难退磁(矫顽力Hc大)，磁滞
Hc Hc
B 矩磁材料
H
回线呈矩形： 用于产生直流磁场 磁电式电表、扬声器和永 磁电机中永磁铁，产生直流预偏磁。
Hdc=27.69A/m, Pc=605 (kw/m3)
Hdc=34.62A/m,Pc=647 ( kw/m3)
磁性材料来自百度文库磁能传递能力与材料选择
P传输磁能 ( f B) N Ae I
( f .B ): 磁材料性能因子
f .B
B 载重
f 速度
磁性材料的磁能储能特性与材料选择
High Bs & PC90 Low Loss
Quality constancy
450 mT 320 kW/m3
Low Loss PC9x Under
Development
Nano-Tech
PC47 PC47 250 kW/m3 PC33 PC33
440mT 410mT
PC44 PC44 300 kW/m3 PC32 PC32
温度对铁氧体磁芯损耗有很大影响 磁芯温度设计点是很重要的
铁氧体损耗温度特性的应用
效率%
磁芯损耗∝I0 绕组损耗∝I2
散热好，温升低
散热差，温升高
功率
磁元件损耗特性对变换器效率和节能规范具有重要影响 磁芯温升的不均匀可能导致磁芯开裂
脉宽调制波形激励下的磁芯损耗
u B
Bw 加权平均变化率：
0.3 0.2
Kdc
K dc K 1 dc B dc e

B ac K 2 dc
) Pcv @ B dc 0
0.1 0
Hdc
0 10
0.37 0.37 0.27 0.17 Bk 0.075 0.023 0.12 0.22 0.22
实例：fsin=100kHz, Bac=0.2T, To=100℃
u(t)
P U I | || | tg ( ) t f P I U
200 160 120 80 40 0 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 80 90
大信号励磁 高频率工作 低损耗磁芯
U和I的采样时间差t较大 较大的 =t*f 阻抗角接近 °
Magnetics 60
Bs
1.5 1.2 1.0
Pure iron
High flux
Kool m
0.8 0.4
MPP
Ferrite
粉芯磁材料的损耗特性比较
非晶带材磁材的基本制程
冷却速度: 1M Kelvin/S 带材厚度: 17-25m
通过薄度降低涡流 适用频率较低 材质对应力很敏感 工艺制成难度大 材料厚度难以太小 适合较低频率
25-125℃
High Freq
Temp. tendency
磁粉芯与铁氧体材料电感的对比
制造困难 磁场泄露较大 低导体填充率 一致性差 屏蔽困难 设计困难 尺寸小 绕组匝长小 没有气隙扩散效应
磁粉芯磁材料的结构
Alloy particle 磁通密度分布不均匀 磁芯损耗大 存在大量小空气隙 合金颗粒绝缘损坏 合金颗粒尺度较大 Inorganic coating (oxide, SiO2, etc) 磁导率较低 涡流损耗较大 适合较低频率
应用:
功率滤波电感(较低工作频率)
粉芯磁材料的电磁特性比较
3 PC40 PC40 410 kW/m
PC50 0.5MHz,50mT PC50
0.5-1MHz 50-100mT
PC45 PC45 75℃ PC46 PC46 45℃
new new !!
Quality constancy
High B Field Under PC10x Development
PC95
对PWM波
v(t)
PWM (D=0.25) Sinusoidal PWM (D=0.5)
t
10 9 8 7 6 kf ( D) 5 4 3 2 1 0
kf
f sin_ eq f PWM

2
2 D
(
1

1 ) 1 D
0
0.1
0.2 D
0.3
0.4
直流偏磁对磁芯损耗的影响
Pcv @ B dc (1 K dc ) Pcv @ B dc 0