探析纳米晶材料应用于逆变电源的优点与问题

探析纳米晶材料应用于逆变电源的优点与问题

　　高频逆变电源的工作频率在20kHz~50 kHz，作为电源心脏的主变压器，传统的铁芯材料铁氧体虽高频损耗较低，但其低频段（100kHz以下）的磁特性不太好，又因其饱和磁感应值（Bs）较低，铁芯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芯已是独占鳌头。

　　一、纳米晶的优点

　　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。铁芯功率密度大，可以达到15 kW～20kW/kg。

　　高磁导率：静态初始导磁率μ0可高达12万～14万，与坡莫合金相当。用于功率变压器铁芯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。

　　低损耗：在20kHz～50kHz频率范围是铁氧体1/2～1/5，降低铁芯温升。

　　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℃。

　　由于以上的优点，纳米晶制造的变压器应用在逆变电源上，对电源可靠性提高起了很大作用：

　　损耗小，变压器温升低，大量用户的长期实际使用证明，纳米晶变压器的温升远远低于IGBT管子的温升。

　　铁芯磁导率高，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管子的冲击。

　　工作磁感高，功率密度大，可达到15Kw/kg。减小了铁芯的体积。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管子的散热。

　　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，而不会因铁芯饱和而损坏IGBT管子。

　　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，纳米晶变压器完全可以正常工作。

　　纳米晶的这些优点，被越来越多的电源生产厂家认识并采用，国内一批生产厂，已经采用纳米晶铁芯，并应用多年。越来越多的厂家开始使用或试用。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幅度的增加。

　　二、大家关心的几个问题

　　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。

　　（一）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，尽管铁氧体磁芯是实心的，在使用有时也会出现噪声。纳米晶的成分不同，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．铁芯卷绕松紧上的原因，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芯卷绕不紧，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芯噪声，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，造成铁芯的工作磁感提高，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，使用纳米晶铁芯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。