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1、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 The Soft Magnetic Materials for New Energy and Energy-saving SHAO Feng TDG HOLDING CO.,LTD. ,Haining 314400,China Abstract: With the social de
2、velopment, natural environment has been damaged,new environmental energy sources such as solar energy are replacing traditional energy;LED and electrodeless discharges lamps are in the ascendant. This article describes soft magnetic materials used in the new energy and new lighting source,and introd
3、uces the characteristics of the materials. Key words: new energy;new lighting source;soft magnetic materials; characteristics 1 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 世纪最热门的话题，这其中最重要也是最 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 目前最
4、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，被认为是最有前途的新能源。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
5、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
6、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 1/52。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
7、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 表 1 高频变压器用软磁铁氧体材料特性 特性 测试条件 TP4A TP4W TP5I 起始磁导率 i f=10kHz B0.25mT T=25 240025%300025% 150025% 25 510 500 470 饱和磁通 密度 Bs(m
8、T) H=1194A/m 100 390 390 380 25 600 400 80 单位体积功耗 Pcv (kW/m3) f=100kHz B=200mT 100 300 350 120 居里温度 Tc() / 215 220 240 密度 d（g/cm3） / 4.80 4.80 4.60 研发中 500kHz,50mT 测试 图 1 带高频变压器的逆变器 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（
9、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： emm VHBLIE 2 1 2 1 2 = （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、
10、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
11、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
12、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 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 2 TP4E 材料性能指标 表 2 TP4E 材料性能指标 特性 测试条件 TP4E 起始磁导率 i f=10kHz B0.25mT T=25150025% 25 510
13、 饱和磁通 密度 Bs(mT) H=1194A/m 100 440 25 350 单位体积功耗 Pcv (kW/m3) f=100kHz B=200mT 100 660 居里温度 Tc() / 285 密度 d（g/cm3） / 4.80 3 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。 3.1 LE
14、D 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
15、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，最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 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 (a) 工字型磁心加屏蔽框 （b）平面变压器磁心 图图 5 LED 驱动模块电磁干扰处理驱动模块电磁干扰处理 LED 驱动电源对软磁铁氧体材料的
16、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 3 TP4G 材料性能指标 表 3 TP4G 材料性能指标 特性 测试条件 TP4G 起始磁导率 i f=10kHz、B0.25mT 25 200025% 25530 饱和磁通密度 Bs(mT)H=1194A/m 100430 25750 功率损耗 Pcv(kW/m3) f=100kHz、B=200mT 100440 居里温度 Tc() / 260 密度 d(g/cm3) / 4.80 表 4 NiZn
