新能源与新光源用软磁材料

新能源与新光源用软磁材料邵峰（天通控股股份有限公司，浙江海宁314400）摘要：随着社会发展，自然环境不断遭到破坏，能源短缺，太阳能等环保新能源正取代传统能源；节能领域，LED及无极灯等绿色新光源方兴未艾。本文介绍了新能源与新光源领域使用的软磁材料及其特性。关键词：新能源；新光源；软磁材料；特性TheSoftMagneticMaterialsforNewEnergyandEnergy-savingSHAOFengTDGHOLDINGCO.,LTD.,Haining314400,ChinaAbstract:Withthesocialdevelopment,naturalenvironmenthasbeendamaged,newenvironmentalenergysourcessuchassolarenergyarereplacingtraditionalenergy;LEDandelectrodelessdischargeslampsareintheascendant.Thisarticledescribessoftmagneticmaterialsusedinthenewenergyandnewlightingsource,andintroducesthecharacteristicsofthematerials.Keywords:newenergy;newlightingsource;softmagneticmaterials;characteristics1引言随着人类社会的发展，自然环境不断遭到破坏，各种自然灾害不断，能源短缺，威胁人类生存，世界上大多数国家也充分认识到了环境对人类发展的重要性。各国都在采取积极有效的措施改善环境，减少污染。节能环保成为21世纪昀热门的话题，这其中昀重要也是昀紧迫的问题就是能源问题，要从根本上解决能源问题，除了寻找太阳能等新能源，节能是是目前昀直接有效的重要措施，作为能源消耗大户的照明领域，必须寻找可以替代传统光源的新一代节能环保的绿色光源。本文介绍了新能源与新光源领域使用的软磁材料及其特性。2新能源用软磁材料随着化石燃料的日渐枯竭以及人类环保意识的增强，太阳能、风能、地热能等新能源越来越受到重视，其中太阳能由于受地域限制较少，被认为是昀有前途的新能源。太阳能交流发电方案中一个重要部分是逆变器，而逆变器的核心部件就是磁性元件。2.1光伏逆变器简介采用交流输出的光伏发电系统，由光伏阵列、充放电控制器、蓄电池和逆变器四部分组成，而逆变器是关键部件。光伏发电系统对逆变器要求较高，如效率高、尺寸小、成本低以及可靠性高等。光伏逆变器的分类方法有多种，如按输出波形分，可分为方波、阶梯波及正弦波；按使用频率分，可分为工频、中频及高频；按相数分，可分为单相和三相；按电路形式分，可分为推挽、半桥及全桥[1]。逆变器由主电路、控制电路以及输入/输出电路构成，各种电路中均需使用软磁材料。2.2逆变器用软磁材料2.2.2逆变器主电路用软磁材料光伏逆变器主电路拓扑结构有三种基本形式：带工频变压器的逆变器、带高频变压器的逆变器、无变压器的逆变器。变压器在逆变器中起隔离及功率变换的作用，根据工作频率的高低，分为工频变压器和高频变压器。工频变压器既可以有效的隔离直流谐波，防止对交流电网造成干扰；又可以对输入电压进行升压。工频变压器磁心大多采用硅钢片、非晶合金等软磁材料。硅钢片的重量较大，损耗较高，近年来逐渐被非晶软磁合金材料取代，据报道，美国的10kVA工频变压器绝缘的太阳光发电站用逆变器，采用铁基非晶合金卷绕式磁心，铁损只有冷轧取向硅钢片磁心的1/5[2]。高频变压器的作用与低频变压器相同，但由于其工作于高频（≥20kHz），所以体积和重量较小，成本更低，效率更高。适用的磁性材料有软磁铁氧体和软磁合金，由于大型软磁合金磁心价格较高，且制作困难，因此，高频变压器磁心常采用软磁铁氧体，技术要求为低损耗、高饱和磁通密度，与开关电源变压器基本相同，但更强调稳定性和可靠性要求，光伏发电站需要工作20年以上，而且很多光伏发展站建于沙漠、海岛等自然环境比较恶劣，要求磁心温度特性（-40℃～+85℃）良好，长期工作。常用的软磁铁氧体材料有天通公司的TP4A、TP4W、TP5I等，技术规格见表1，常用的磁心形状为EE、PQ、RM等，图1显示了带高频变压器的逆变器。表1高频变压器用软磁铁氧体材料特性特性测试条件TP4ATP4WTP5I★起始磁导率μif=10kHzB0.25mTT=25℃2400±25%3000±25%1500±25%25℃510500470饱和磁通密度Bs(mT)H=1194A/m100℃39039038025℃60040080★★单位体积功耗Pcv(kW/m3)f=100kHzB=200mT100℃300350120★★居里温度Tc(℃)/≥215≥220≥240密度d（g/cm3）/4.804.804.60★研发中★★500kHz,50mT测试图1带高频变压器的逆变器目前，市场上的正弦波逆变器常采用DC-AC-DC-AC的三级结构，其工作原理为：首先将光伏方阵输出的低压（如12V,24V,48V）的直流通过高频逆变为方波交流，通过升压变压器整流滤波后变为高压（110V以上）直流，然后经过工频逆变电路实现逆变得到220V或380V交流。这种逆变电路的前级升压电路采用推挽结构，但工作频率均在20kHz以上，升压变压器采用高频磁心材料，如MnZn软磁铁氧体。采用该电路结构，使逆变器功率大大提高，逆变器的空载损耗也相应降低，效率得到提高。在无变压器逆变器中起储能和变换作用的电磁元件是储能电感。根据电感的储能公式：emmVHBLIE21212==（1）式（1）中Bm、Hm为工作磁场和磁通密度，Ve为有效体积。由式（1）可知，当工作磁场Hm和磁心体积Ve确定后，Bm越大，电感储能越多。因此，储能电感可采用硅钢片、金属磁粉心和非晶软磁合金等饱和磁通密度高的软磁材料。2.2.2逆变器驱动电路用软磁材料在逆变器中，进行信号变换和驱动开关器件的电磁元件是驱动变压器，驱动变压器也分为工频和高频变压器。工频变换是利用分立器件或集成块产生50Hz方波信号，然后利用该信号去推动功率开关管，利用工频升压变压器产生220V交流电，工频变压器采用硅钢片或非晶软磁合金。高频变压器工作原理与工频变压器相同，只不过工作频率更高，采用软磁铁氧体磁心。驱动变压器所需软磁材料技术特性与逆变器主电路变压器基本相同，如天通公司的TP4A。由于承受功率不大，驱动变压器磁心尺寸要小一些。2.2.3逆变器输入/输出电路用软磁材料逆变器输入/输出电路中一般都采用共模电感与差模电感进行电磁抑制，共模电感需要具有高的阻抗，常采用非晶软磁合金或高磁导率软磁铁氧体，如天通公司的TS5、TS7及TS10等，常用磁心为环形。差模电感需要具有高直流偏置特性和高阻抗，常采用金属磁粉心和高饱和磁通密度的软磁功率铁氧体，如天通公司的铁硅铝材料和软磁铁氧体材料TP4A等，磁心形状常用开气隙的EE型等。DC/AC逆变时通常采用SPWM技术，电压输出时会产生高次谐波，因此在输出端需要设置LC滤波器，而且滤波电感L工作在直流偏置状态下，要求采用高直流偏置和低损耗特性的软磁材料，综合考虑成本和性能，目前一般采用铁硅铝磁心，磁导率26或60，图2显示了天通公司铁硅铝材料的直流叠加性能。图2天通铁硅铝系列材料的直流叠加特性由于金属磁粉心的可靠性问题，近来，市场上在尝试采用软磁铁氧体代替金属磁粉心做直流滤波器，如使用高饱和磁通密度软磁铁氧体代替铁硅铝。天通公司的TP4E材料适合这种应用，指标见表2。磁心形状有I型、EE型等。表2TP4E材料性能指标特性测试条件TP4E起始磁导率μif=10kHzB0.25mTT=25℃1500±25%25℃510饱和磁通密度Bs(mT)H=1194A/m100℃44025℃350单位体积功耗Pcv(kW/m3)f=100kHzB=200mT100℃660居里温度Tc(℃)/≥285密度d（g/cm3）/4.803新光源用软磁材料[3]自从告别火光照明以来，电光源已然与人类密不可分。利用电能做功，产生可见光的光源称为电光源。在我国，照明用电量约占全社会总用电量12%。LED及无极灯等新一代电光源可大幅降低用电量，将逐步取代传统照明电光源。软磁材料作为LED和无极灯中的关键元器件，其正确选择和性能对LED和无极灯的寿命和性能至关重要。3.1LED用软磁材料LED的发光原理是在微观尺度上，让移动的电子“掉进”量子阱，从而产生一定波长的光。LED需要使用恒流驱动电源，主要有两种驱动方式，分别是电荷泵驱动和电感式驱动。电荷泵驱动利用电容将电流从输入端传到输出端，整个方案不需要用到电感，具有体积小，设计简单的优点，但输出电压范围有限，不适用于白光LED驱动等大功率场合。电感式驱动会用到铁氧体磁心，铁氧体起能量存储和转化作用。LED驱动电路的拓扑结构有降压、升压、升-降压、反激式等。降压、升压、升-降压等拓扑结构中的电感常使用由NiZn材料制成的工字型和I型磁心，如图3所示。反激式拓扑中的变压器则常使用锰锌铁氧体材料制成的EE、EFD、EM、PQ、EPC型磁心，如图4所示。使用电感式驱动需要注意漏磁的问题，因为漏磁一方面会产生电磁干扰，另一方面会产生额外的损耗。对于开磁路的工字型磁心，昀好配置一个磁屏蔽框，如图5(a)所示；对于开气隙的闭合磁路磁心，应注意选用漏磁小的扁平型磁心，如图5(b)所示。图3电感用磁心图4变压器用磁心(a)工字型磁心加屏蔽框（b）平面变压器磁心图5LED驱动模块电磁干扰处理LED驱动电源对软磁铁氧体材料的性能要求较高，要根据电感和变压器的使用要求，选用合适的材料。由于LED驱动电源的工作频率不高，大多数在几十到几百千赫兹，选材时应重点考虑饱和磁通密度。表3显示了针对LED应用推出的锰锌低损耗高磁通密度材料TP4G。至于镍锌材料，由于电感值高有利于减小纹波电流，使用磁导率800-1200的低损耗材料较好，详见表4。表3TP4G材料性能指标特性测试条件TP4G起始磁导率μif=10kHz、B＜0.25mT25℃2000±25%25℃530饱和磁通密度Bs(mT)H=1194A/m100℃43025℃750功率损耗Pcv(kW/m3)f=100kHz、B=200mT100℃440居里温度Tc(℃)/260密度d(g/cm3)/4.80表4NiZn高磁导率低损耗材料特性测试条件TN80LTN120L起始磁导率μif=10kHz、B＜0.25mT25℃800±25%1200±25%饱和磁通密度Bs(mT)H=1194A/m25℃410360功率损耗Pcv(kW/m3)f=150kHz、B=50mT100℃300250居里温度Tc(℃)/≥190≥160密度d(g/cm3)/5.05.03.2无极灯用软磁材料照明灯具的寿命十分重要，电极的寿命成为制约传统光源寿命的瓶颈。上世纪70年代美国人发明了无灯丝和电极的无极灯，这是照明领域的一大突破。但无极灯的发展并不顺利，直到昀近20年才有成熟产品出现，究其原因就是配套功率电子器件的发展滞后。电磁感应灯主要由高频发生器、耦合线圈及灯泡三部分组成。按磁心的放置方式分为内置式和外置式。内置式无极灯以Philips公司的QL无极灯为代表，它是在一梨形灯泡内放置一中空管道，将绕以线圈的磁心插入中空管道，线圈的工作频率是2.65MHz[1]。图6和图7显示了内置式无极灯的基本结构和实物。图6内置式无极灯基本结构图7内置式无极灯由于内置式工作频率高，故也称为高频无极灯，磁心的形状采用环形磁心。内置式无极灯磁心以前选用镍锌铁氧体材料，由于镍锌铁氧体材料的起始磁导率低、功率损耗比较大，磁心又包裹在灯泡中，散热比较差，工作温度在130℃以上，严重影响无极灯的寿命。昀近，科研部门和部分企业开始采用高频锰锌功率铁氧体材料替代镍锌材料，如天通公司的TP5B材料，指标见表5。采用TP5B比传统镍锌材料的损耗小很多，温升可降低30℃以上。