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常见问答

纳米晶材质高频变压器在逆变电源上的应用
发布时间:2019-02-20浏览次数:1
纳米晶材质高频变压器在逆变电源上的应用
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,传统的铁心材质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。纳米晶材质高频变压器,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。
应用领域:大功率开关电源主变压器(如逆变焊机电源、X光电源、激光电源、通讯设备电源、高频感应加热电源、UPS)

   性能特点:高饱和磁感、高导磁率、高居里温度、低损耗。饱和磁感是铁氧体的3倍,同样体积的铁芯要比铁氧体输出功率大2倍,同时有更大的抗过载能力。其铁芯损耗在20KHz~50KHz的频率范围是铁氧体损耗的1/2~1/5。导磁率是铁氧体的10倍以上,因此激磁功率小,因而也减少了铜损。居里温度570oC,是铁氧体的3倍。


1.纳米晶材质的优点
纳米晶材质高频变压器同时具备了硅钢、坡莫合金、铁氧体的优点。

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;
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;
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:纳米晶材质高频变压器的居里温度达570℃,铁氧体的居里温度仅180~200℃。
由于以上的优点,纳米晶材质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:
损耗小,变压器温升低,大量用户的长期实际使用证明,纳米晶材质变压器的温升远远低于IGBT管子的温升;
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;
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;
纳米晶材质高频变压器的居里温度高,假设温度达到100℃以上时,铁氧体变压器已经不能工作,纳米晶材质变压器完全可以正常工作。
纳米晶材质的这些优点,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。

2大家关心的几个问题
纳米晶材质高频变压器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,铁氧体材质的磁芯伸缩系数比较大,尽管铁氧体磁心是实心的,使用中有时也会出现噪声。纳米晶材质的成分不同,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。
2.2脆性问题
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
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。
在用户使用中纳米晶材质高频变压器的一致性,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。
2.4价格问题
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,随着纳米晶铁心高频变压器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。
目前对于15kW以上的大功率的电源来说,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。

3纳米晶变压器产品
由于各厂逆变电路的设计不同、对纳米晶材质的了解不同、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。
纳米晶高频变压器的优点是: 
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。 
由于这种高频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。

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。

4非晶、纳米晶软磁材料的前景展望
非晶、纳米晶高频变压器由于它的优异特性,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。 
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,纳米晶高频变压器为逆变电源提供了理想的选择,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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