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    • 头条磁路设计的新方法,可简化结构并解决永磁体损耗问题
      2021-04-29 作者:郑庆杰 陈为  |  来源:《电工技术学报》  |  点击率:
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      导语在电力电子变换中,有很多始终处于单极性工作状态的电感,从磁化曲线上看就是始终工作于第一象限。基于永磁体的预偏磁电感技术可以将磁化曲线的起始工作点从零点预偏置到相反方向,从而有效拓宽磁通密度的有效工作范围,并缩小这类电感的体积。常规预偏磁电感都是将永磁体内置到气隙中或是外置构成并联磁路,但在电流产生的高频磁通通过永磁体时,会在永磁体内引起严重的涡流损耗问题,并导致电感损耗且发热增加严重,同时过高的温度会引起永磁体的退磁风险。 福州大学电气工程与自动化学院的研究人员郑庆杰、陈为,在2019年第21期《电工技术学报》上撰文,介绍一种磁路设计方法,通过内置式永磁预偏磁方案,可以有效地解决实际应用中出现的结构复杂和永磁体损耗问题。

      在电力电子行业,储能与滤波电感有极为广泛的应用。近几年随着半导体技术的不断进步,宽禁带半导体器件的优势越来越明显,其在开关速度、开关损耗、导热率、高温特性和耐压等方面均优于传统硅半导体器件。这必然带来电源行业的技术提升,开关频率将进一步提高,功率密度也会随之提升。

      但是这也给磁性器件带来了挑战,传统的合金磁粉芯(<60kHz)和非晶(<30kHz)等材料由于高频损耗问题已经不太适合在更高频率范围的应用,所以基本上80kHz以上的应用场合都是以高电阻率的铁氧体材料为主。

      但是如果使用铁氧体材料也会有一定的局限性,铁氧体材料的饱和磁通密度Bs大约在0.4T左右,相对其他磁性材料(非晶1.5T、铁硅1.5T,铁硅铝1T)要小很多。铁氧体还有一个温度特性不稳定问题,这会导致其饱和磁通密度Bs随着温度的升高而下降,到100℃时下降到大概只有0.3T左右,而实际应用时还要考虑安全裕量,所以一般在设计时最大磁通密度Bm取值要小于磁性材料高温时的Bs值。

      这将导致功率密度过小的问题,限制了电源整体功率密度的提升。功率电感按照应用分为单极性磁化与双极性磁化,其中有很多场合如功率因数校正(Power Factor Correction, PFC)电感、直流输出滤波电感、DC-DC(Buck和Boost拓扑等)滤波电感、光伏逆变器的最大功率点追踪(Maximal Power Point Tracking, MPPT)电路升压电感和变频器的直流电抗器等都需要用到单极性磁化的电感。

      近些年有很多研究着眼于单极性磁化电感的优化方案。其中最重要的技术之一就是基于永磁体的预偏磁技术,由于其可以提供一个预偏置,将工作起始点拉到B-H曲线的第三象限,所以可以大大拓宽B值,从而降低原有电感或电抗器的体积和成本,这一技术目前在变频器的直流电抗器等领域已经得到了越来越广泛的认可和应用。

      早期的预偏磁技术基本上是在原有磁路的气隙中直接加入永磁体,提供一个与电流激励反向的磁场。由于永磁材料的高频涡流损耗非常严重,而发热又会给永磁体带来退磁风险,所以此技术不太适用于具有高频大纹波电流的场合,目前主要还是应用在低频领域。

      最近几年有学者在研究如何让永磁体规避由高频电流产生的高频磁场。相关研究都是在永磁体附近为其构造一个新的磁通路,通过磁阻比例来调节永磁体中的高频磁通,但是这样结构比较复杂,成本也较高,限制了预偏磁技术的推广和应用。

      福州大学电气工程与自动化学院的研究人员基于磁路理论分析,提出一种基于内置式永磁预偏磁高频功率电感技术,可以大大简化磁路结构,并起到让永磁体有效避让高频磁通的效果,降低了永磁体的涡流损耗和温升,有效地提高了永磁体使用寿命与可靠性。

      磁路设计的新方法,可简化结构并解决永磁体损耗问题

      图20 EI磁心气隙电感实物

      该内置式预偏磁高频电感技术,充分利用EI磁心的内部结构特点,合理地布置了永磁体的安放位置;避免了外置时的结构件和组装问题;同时解决了永磁体在电感中应用时的发热和退磁问题。通过理论分析、磁路模型建立,再结合电磁仿真软件的分析和实验验证,充分证明了此方案的可行性和有效性。

      该方案充分利用磁心内部磁场分布特点,通过开槽方式安装永磁体,省略了在外部构建磁路的永磁体固定装置,节约了材料成本,缩短了制造工序,更适合工厂大批量生产。

      这种结构的电感可以为客户提供更小的体积、更高的效率和更低的成本,符合现在对电源行业高效率、高功率密度和低成本的要求。非常适合在单极性磁化的应用场合,比如PFC电感、DC-DC输出滤波电感、光伏逆变器的MPPT(升压)电感、储能电感等。

      以上研究成果发表在2019年第21期《电工技术学报》,论文标题为“基于内置式永磁预偏磁的高频功率电感技术”,作者为郑庆杰、陈为。

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