電力電子高頻磁技術及其發展趨勢
2019-11-03 09:54:22
供稿：網友
電力電子高頻磁技術及其發展趨勢<1>（陳為、章進法）一、電力電子高頻磁技術研究的意義 1電力電子技術具有十分廣闊的應用前景。電力電子技術的主要研究與應用內容是電能形式的變換技術，即通過電力電子變流裝置將電能的波形、頻率和大小進行變換。目前，電力電子技術的應用范圍十分廣泛。據統計，1997年，美國有40％的電能要通過各類電九電子變流裝置進行能量轉換，而到2010年，這一比例將提高到80％。電力電子應用范圍的擴大和應用水平的提高不僅引起量的擴張，而且對質也提出了更高的要求。例如，到2002年，500W等級的高頻開關電源的功率密度將要從目前的2－4W/in3提高到3.5－6W／in3：超大規模數字集成電路的發展對在板式低壓電源模擬（On-board Low－voltage DC／DC converter）也提出了很高的性能要求。下一代Intel奔騰微處理器芯片所需要的供電模塊（VRM），不僅要求效率高，電源能與芯片集成。而且要求在12－15伏的低電壓下，提供50－70安的電流，而且電源的瞬態響應速度要達到5A／ns。 2高頻磁技術是電力電子技術中的重要內容。功率磁性元件是所有電力電子裝置中必不可少的關鍵器件，它擔負著磁能的傳遞、儲存以及濾波等功能，其體積和重量一般占到整個電路的20至30％，損耗占總損耗的約30％。而且磁件的各參數對電路的性能影響很大。如變壓器的漏感對電壓尖峰的影響，變壓器原、副繞組耦合電容對隔離性能的影響。降低電力電子裝置的體積和重量、提高電壓調制性能的關鍵是提高開關工作頻率。隨著有源開關器件及軟開關技術的發展，開關損耗降低，頻率提高。但是在高頻下，功率磁技術的發展卻比較緩慢，已成為影響電力電子總體發展的一個制約因素。 電力電子高頻磁技術是將電力電子技術與磁技術結合起來，并將傳統工頻磁技術的研究方口應用推向高頻和特殊的磁結構。以電磁理論為基礎，探討磁件在高頻下，在正弦、方波或任意波形電壓激勵下，以及在與電力電子電路的結合上，所產生的特殊問題，探討磁性元件的數學模型、電路模型、電磁場數值模型以及磁件的分析、實驗和設計方法，并研究和提出各種新型的磁結構形式。電力電子高頻磁技術是電力電子學科與電器學科的前沿交叉研究內容。當然，電力電子高頻磁技術還包括高頻磁性材料的研究和開發。 3．電力電子技術的發展對磁性元件提出了新的要求。隨著現代電力電子技術向著高頻化、綠色化、集成制造、平面化以及高功率密度方向的發展，也對磁性元件提出了更高的要求。磁性元件的高頻化、集成化、平面化、陣列化、模塊化及高效率已成為磁件發展的必然趨勢。而且隨著各種形式的磁性材料及磁性材料加工技術以及厚膜集成制造技術的發展，各種新結構的磁件應運而生。這些都帶來磁件在理論分析、數學建模、優化設計、實驗研究以及實際應用上的諸多問題。磁件的各項分布參數（如漏抗、分布電容、匝間電容等）及高頻損耗對磁件性能起了重要作用。對這些磁件，如何構造、如何分析，如何設計，如何測試；目前都缺乏一套有效的理論指導與分析依據。傳統的適合于工頻磁件或塊狀磁結構磁件的分析研究和設計方法已不能滿足現代高頻磁技術發展的需要。磁性元件無論在研究，還是在應用上，都已成為電力電子前沿技術進一步發展的瓶頸。可以說，高頻磁技術研究的新成果和突破將會帶動電九電子前沿應用的快速發展。 4國際上十分重視高頻磁技術的研究和應用。美國、歐洲、日本等電力電子技術強國都十分重視高頻磁技術的研究與應用。近幾年，在各種電力電子的國際學術會議（如APEC、PESC、LAS、HFPC、IECON、EPE等）上，磁技術都已獨立出來作為會議討論和交流的專題內容，而且磁技術方面的論文數量在逐年增加。1998年的國際應用電力電子會議（APEC）還將磁技術作為會議的學習專題內容。但是，高頻磁技術的研究目前在我國還設形成一定的研究規模，電力電子領域的的研究人員往往對磁技術研究不大深入。因此，在我國開展高頻磁技術的研究與應用對我國電力電子技術的發展是十分重要的，必將推動我國電力電子技術的進步。二、電力電子高頻磁技術的發展趨勢 磁性元件作為電力電子裝置中的關鍵器件。與電力電子技術本身的發展和應用范圍的擴大是密切相關的。但同時，高頻磁技術本身的發展和突破又反過來帶動電力電子應用水平的進一步提高和應用范圍的擴大。可以說，目前高頻磁技術在一定程度上已成為推動電九電子技術進一步發展的動力。磁技術的發展趨勢主要體現在以下幾個方面。 1．高頻化（High－frequency） 開關頻率的高頻化（幾百千赫北到兆赫茲）是電九電子產品技術含量高低的重要標志。提高開關頻率降低了功率磁性元件的體積和重量，從而降低整個產品的體積和重量。根據理論分析，在相同的磁通密度下，頻率提高一倍，變壓器的鐵心截面積可以減小一半。同樣，頻率的提高可以減小電感器的電感量。但頻率的提高，將各引起磁件損耗的急劇增加。所以實際上，磁件的體積和重量的下降大體上與開關頻率的平方根成比例。通過改善磁件的散熱條件，可以進一步提高這一比例。隨著軟開關技術的發展，開關損耗降低，使開關器件的工作頻率逐步提高，但磁件損耗的急劇增大，限制了頻率的進一步提高。磁件的高頻化是電力電子技術高頻化的必然要求，也是磁件發展的最重要趨勢。 就磁件來說，高頻化所帶來的問題主要體現在四個方面。一是使磁件的分布參數的影響增大。如變壓器，在高頻下，匝間電容和原副繞組耦合電容的影響顯著增大，成為不可忽略的電路參數，頻率對鐵芯損耗、繞組損耗甚至激磁電感、漏感等參數的影響也最著增大，使得磁件的電路模型更加復雜。二是使磁件的損耗增大，渦流效應更加顯著。鐵芯和繞組的結構和布置方式，甚至繞組的端部結構對磁件的損耗具有重要的影響。電感器的氣隙擴散磁通損耗急劇增加；變壓器原副繞組的各種結構形式對繞組損耗也有關鍵的影響。三是給磁件的測試帶來困難，在高頻下，測試系統的分布參數所引起的相位誤差增大，從而使磁件參數（如損耗等）的測量誤差急劇增大。四是對磁性材料提出了更高的要求，除了積極研制高頻低損耗磁性材料外，也出現了各種結構形式的磁材料，如用厚膜技術制造分層磁芯，西門 子公司研制的磁性薄膜（FPC）等。
