通过带材做薄纳米晶,可以降低涡流损耗。原因有二:一、纳米晶做薄可以减小磁场的趋肤效应;二、纳米晶越薄材料电阻越高,整体电阻越大,涡流损耗越小。本篇,就来详细谈谈变压器的涡流损耗。
铁氧体材料成本低,工艺成熟,但在高温和高频下,性能不佳。纳米晶作为新兴材料,高频特性好,温度稳定性高,但成本较高,生产工艺不够成熟。
除此之外,我们还从磁导率、工作频率、饱和磁通密度、直流偏置特性、居里温度、损耗等方面做了比较,如下表格:
铁氧体(Mn-Zn系) | 纳米晶(Fe-Si-B-Nb-Cu | |
磁导率 | ≤15K | 80000左右 |
工作频率 | ≤500kHz(磁损陡增临界点) | 20kHz-1MHz(优势区间) |
饱和磁通密度 | 0.4-0.5T(100℃衰减20%) | 1.25T(-40-150℃稳定) |
直流偏置特性 | >30A/cm²显著下降 | >80A/cm²保持线性 |
居里温度 | 210-250℃(易热失效) | 560℃(安全冗余度高) |
损耗密度 | 200kW/m³@100kHz/0.2T | 50kW/m³@100kHz/0.5T |
材料成本 | 低 | 高 |
汽车,尤其是能源车800V高压平台和SiC/GaN器件的应用,对电感材料的高频、高效率、高温稳定性、轻量化、成本控制以及抗干扰能力,提出了更高的要求。在OBC车载充电机中,我们可以使用纳米晶在LLC拓扑中做谐振电感,可以降低损耗超过30%以上,体积可以缩小40%以上。高功率产品,用到电感数量较多,采用纳米晶,还可以减少并联数量。
涡流损耗磁芯中有磁力线穿过,在与磁力线垂直的方向上会产生感应电流。涡流的存在使磁芯发热消耗能量,这种损耗称为涡流损耗。(下图右侧箭头指示为涡流损耗)
公式如下:
涡流损耗P与频率 f 的平方成正比。因此,频率越高,涡流损耗越大,且在高频下体现更加明显。流损耗P与材料厚度的平方成正比,厚度越薄,涡流损耗越小。利用这一原理,制成了低频硅钢片变压器,且越薄应用的频率越高。只不过,硅钢片的电阻率低,且磁导率在高频下衰减严重,无法应用于高频。涡流损耗P与磁感应强度B成正比,与电阻率成反比。与铁氧体相比,纳米晶磁感应强度B是铁氧体的3倍以上,但通过带材工艺,材料的厚度可以做薄,其涡流损耗在一定程度上是可以低于铁氧体的。
而且涡流损耗与材料厚度的平方成正比,厚度降低一半,涡流损耗降低为原来的1/4。通过掺杂工艺,还可以进一步提升纳米晶材料的电阻率。因此,从理论和工艺来看,在数百KHz的频率下,纳米晶的涡流损耗是可以低于铁氧体的。如此看来,从理论上来说,纳米晶除了用于电感,也是可以用于高频变压器的。在电机驱动系统中,目前也是以纳米晶为主。在逆变器输出滤波中,纳米晶输出滤波PWM谐波抑制(THD<2%)优势显著。
其次,纳米晶耐受1000A/μs电流突变能力比铁氧体强,可用于减速、刹车等场景。对于汽车中的DC-DC应用,800V及以上平台高压转换,基本是使用纳米晶为主滤波,主要是因为其在瞬态响应(<5μs)表现更优。但在常规的低压转换中,如400→24V,铁氧体材料用于滤波本身成本优势明显,应优先使用铁氧体为主,具体采用哪种材料,需综合对比成本。