再谈纳米晶在逆变电源上的应用

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再谈纳米晶在逆变电源上的应用

- a- j7 ~2 _) I8 cAgain discuss abovevappli cation of nanocrystalline soft magnetic materials in inverter power supply
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前言
高频逆变电源的工作频率在20kHz~50 kHz左右，作为电源心脏的主变压器，传统的铁心材料铁氧体虽高频损耗较低，但其较低频段（100kHz以下）的磁特性不太好，又因其饱和磁感应值（Bs）较低，铁心的体积和重量仍较大，此外，铁氧体的居里温度较低，热稳定性差，温度稍高即导致Bs值降低，易饱和，工作状态不稳定，不适合于高频大功率下使用。纳米晶材料，具有优良的综合磁性能，特别是应用在高频大功率逆变电源上，作为逆变变压器的铁心已显示出一定的优点。

1纳米晶材料的优点
6 O9 x, E- W. a/ u' V, E纳米晶材料同时具备了硅钢、坡莫合金、铁氧体的优点。即：
高磁感：饱和磁感Bs＝1.2T，是坡莫合金的一倍，铁氧体的2.5倍。铁心功率密度大，可以达到15～20kW/kg；
( n. f# H' x, N* k高磁导率：静态初始磁导率μ0可高达12～14万，与坡莫合金相当。用于功率变压器铁心的磁导率是铁氧体的10多倍，大大降低了激磁功率，提高了变压器的效率；
2 [; ^+ I0 _; ]4 ]' Y- x低损耗：在20kHz～50kHz频率范围是铁氧体1/2～1/5，降低铁心温升；
居里温度高：纳米晶材料的居里温度达570℃，铁氧体的居里温度仅180~200℃。
. U8 I- u7 |5 i# H6 {6 J由于以上的优点，纳米晶材料制造的变压器应用在逆变电源上，对电源可靠性提高起到明显的作用：
* \4 k2 Z$ G- b& e1 T& U损耗小，变压器温升低，大量用户的长期实际使用证明，纳米晶材料变压器的温升远远低于IGBT管子的温升；
4 [2 [: w  Y* U" ?7 O2 @铁心磁导率高，降低了激磁功率，减小了铜损，提高了变压器的效率。变压器的初级电感大，减小了电流在开关时对IGBT管的冲击；
* c3 l% B0 B5 r: `% U- F( R1 z$ d工作磁感高，功率密度大，可达到15kW/kg以上。减小了铁心的体积。特别是大功率逆变电源，体积减小使得在机箱内空间增大，有利于IGBT管的散热；
变压器的过载能力强，由于工作磁感选择在饱和磁感的40%左右，当过载发生时，仅由于磁感增高产生发热，而不会因铁心饱和而损坏IGBT管；
  _$ [4 j( n: V6 W9 K$ E% p纳米晶材料的居里温度高，假设温度达到100℃以上时，铁氧体变压器已经不能工作，纳米晶材料变压器完全可以正常工作。
& W& S  i- U. i7 Y纳米晶材料的这些优点，被越来越多的电源生产厂家认识并采用，国内一批生产厂，已经采用纳米晶铁心，并应用多年。目前已经广泛应用在逆变焊机、通信电源、电镀电解电源、感应加热电源、充电电源等领域，今后几年还会有更大范转的应用。
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2大家关心的几个问题
% W! o4 N" j; t纳米晶材料在应用于逆变电源的过程中，曾出现了一些如噪声问题、脆性问题、一致性问题等，在一定程度上对推广应用带来影响，引起了关注。现在这些问题都已经逐步得到解决。
2.1噪声问题
噪声的形成有多方面的原因：(1)材料本身磁致伸缩系数的原因，铁氧体材料的磁致伸缩系数比较大，尽管铁氧体磁心是实心的，使用中有时也会出现噪声。纳米晶材料的成分不同，磁致伸缩系数不同，前几年使用的成分，是一种通用的合金的成分，因此制造出变压器的噪声问题比较突出，随着应用、开发越来越深入，针对不同用途采用不同的合金成分，以满足不同器件对磁性的特殊要求。例如，作为功率输出变压器、电流互感器、共模电感等，都开发出专用的成分。根据功率变压器的要求调整的合金成分，降低了磁致伸缩系数，经用户使用证明，噪声问题已经大大改善；(2)铁心卷绕松紧上的原因，这与使用的带材质量有很大关系，带材尺寸偏差、厚薄不均匀都会造成铁心卷绕不紧，容易产生噪声。调整成分后，钢水流动性好，有利于带材的成型质量，在一定程度上为降低铁心噪声提供了有利保证；(3)逆变电路方面的问题，电路中直流成分大，造成铁心的工作磁感提高，引起噪声。我们的实验证明，噪声随工作磁感的提高而增大。有的厂家在电路上采取了隔直流措施，使用纳米晶铁心多年来没有出现噪声问题。
通过以上的改进，噪声问题基本得到了解决。
" F  n& M( p5 m3 B2.2脆性问题
( e2 b5 R$ c" h4 C纳米晶铁心的脆性主要反应在铁心掉渣，是用户反映最大的问题，不仅对安装操作是头痛的事，而且容易给电路造成短路的隐患。经过多年的实践、研究，脆性问题通过对成分、工艺的调整，得到大大改善。成分调整后，带材的柔韧性显著改善。带材厚度的减薄也减低了脆性。此外在制造铁心的工艺上，对铁心浸注无应力胶，使得铁心不易破碎，彻底解决了铁心的掉渣的脆性问题。同时，由于无应力胶把铁心带材的层间隙固定，使其不易产生共振，减少了噪声的产生。
2.3一致性问题
: X* F( Q- e$ Q; k一致性跟生产规模有关，与生产设备的容量有关。从带材的质量看，一台500公斤产量的设备和50公斤产量设备比较，同样生产500公斤带材，显然，前者产品在成分、磁性能的一致性要好于后者。在生产过程中的热处理也是同样。所以生产规模大、生产设备容量大对一致性有利。
, E% B3 w8 U" |在用户使用中纳米晶材料的一致性，主要表现在饱和电压和电感量离散性大，有时会相差一倍多。主要原因是磁场热处理的效果差、生产检验没有分类筛选。随着用于功率变压器的成分的调整，不仅改善了脆性，而且降低了材料的剩余磁感应强度，因此，增大了磁场热处理的效果，提高了铁心的饱和电压，对产品一致性起了重要作用。
对逆变电源所要求的磁性能，有一个逐步认识过程，前几年，由于用量较小，只强调损耗达到要求就可以了。所以，性能检验只测量损耗这一个参数。对特定的用户，增加检验感应电压值。随着应用的量越来越大，各种各样的要求随之提出，特别是性能一致性的要求特别突出。由于对这种要求有一个认识过程，所以无论在成分改进、生产组织、测试标准等方面，都有些滞后。因此对推广应用有一定影响。现在这个问题得到了足够的认识，并采取了多种有效措施，一致性已大大提高。
( \* ~" k( ?  l/ u! U* B/ D2.4价格问题
7 u. }. a" z: x7 c9 }价格问题是用户最关心的，特别是准备使用或刚刚开始使用的用户。价格与生产量有直接关系，这几年，随着纳米晶铁心应用的领域越来越广泛，不仅用于逆变焊机，而且大量用于电解电镀设备、感应加热设备、充电设备、通信电源、UPS电源、X光机电源、激光电源、变频调速电源等领域，产量越来越大，价格也有较大幅度的降低，目前的价格比最初的价格已经下降了40%左右，随着应用量的不断增大，价格会越来越低，纳米晶材料的价格会越来越接近铁氧体的价格。
; G6 Z6 |, o; Q; d- g  X6 B* c目前对于15kW以上的大功率的电源来说，实际上纳米晶铁心的价格已经低于铁氧体铁心了。因为铁氧体铁心的尺寸有限，大功率变压器所需要的磁心很难解决，不得不使用几个磁心才能满足功率要求。而纳米晶心一个就可以了。从单价上看，铁氧体便宜很多，但几个磁心的总价就比纳米晶铁心的价格高了。
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3纳米晶变压器产品
1 O/ }' z/ p" e9 f& X/ f, ~所使用的纳米晶变压器几乎都是整机生产厂自己绕制的，由于各厂逆变电路的设计不同、对纳米晶材料的了解不同、对变压器制造工艺掌握程度不同，制造出的变压器水平也不同。制造高频变压器成为生产中的重要环节。因此，一些厂家提出，能否专业化生产高频变压器，整机生产厂直接购买变压器的要求。
原来20kHz～50kHz频率范围的变压器，一般采用铁氧体做变压器铁心，铁心形式多为U型或EI型，少数使用O型铁心，U型或EI型铁心从结构上很难降低变压器的漏感。
+ w6 m1 @! U8 B" H/ m: O由于纳米晶材料的优点，为高频变压器的小型化、高效化提供了理想的材料。新材料促进了一种新结构的高频变压器诞生。

3 y- v( ^+ {- N( c% V这种获得专利的取名"甲壳虫"的变压器，后经别人改进后称为"H"型变压器（图1），也获得专利，这两种变压器充分利用纳米晶材料的高磁导率、高磁感应强度、损耗低等磁特性和环形铁心漏磁小的特点，在变压器的初、次级结构方面推陈出新。利用铁心的金属保护盒作为变压器的次级线圈，适合大电流输出，初级线圈均匀的绕在次级上，漏感很小。变压器固定支撑与汇流输出结合为一体，有利于散热。
这种变压器的优点是：
功率大：10~20kW，功率密度可达到15~20kW/kg；
漏感小，一般小于5μH，最好的小于2μH ；效率高，达到99%以上；体积小、重量轻，15 kW变压器的重量为3kg，体积为 160mm×150mm×95 mm； 外形美观。
由于这种变压器的结构和加工等方面的原因，价格比较高，目前仅在电镀、电解电源上得到了一定数量的应用。对于价格竞争激烈的行业推广还有困难。为此，又推出了一种“Ω”型变压器（图2）。
( w; T  n2 D) ^  x6 [& R, J“Ω”型变压器结构和普通环形变压器相同，但绕线方法有改进，从而降低了漏感和分布电容。漏感一般小于10μH。这种变压器的价格比"甲壳虫"或"H"型变压器低40%左右。
纳米晶变压器的产品化，合理的使用了纳米晶软磁材料的性能；有利于变压器效率、水平的提高；有利于逆变焊机、电镀、电解等设备生产效率的提高。目前已有几个厂家能够生产这种变压器。
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/ `( [3 O/ ^8 E) {, e2 M) v9 O4结束语
2 R1 u9 S+ d7 i' o- [/ s非晶、纳米晶软磁材料由于它的优异特性，在不同的应用中，弥补了硅钢和铁氧体材料的不足，使各类电子产品提高到一个新水平、提高了效率、取得了明显的节能效果。新材料显示了朝气蓬勃的生命力。
现在，越来越多的人认识了非晶、纳米晶材料，除了变压器以外，非晶、纳米晶材料还可以作为互感器、电抗器、传感器、滤波器等器件的铁心材料，应用范围还涉及到：日常生活中的家用电器、智能电表、直流变频空调、漏电保护开关等；电力系统的输变电测量、配电、遥测传感等；铁路系统的机车空调、电力机车的逆变电源、铁路信号传感等。还应用在航天、航空、航海等多项军工和国家高科技项目中。
高效、节能和性能价格比高是每种产品追求的目标，纳米晶材料为逆变电源提供了理想的材料，为促进我国逆变电源的发展，我们将提供优良的服务。
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