- 頭條磁路設計的新方法，可簡化結構并解決永磁體損耗問題2021-04-29 作者：鄭慶杰 陳為 | 來源：《電工技術學報》 | 點擊率：導語在電力電子變換中，有很多始終處于單極性工作狀態的電感，從磁化曲線上看就是始終工作于第一象限。基于永磁體的預偏磁電感技術可以將磁化曲線的起始工作點從零點預偏置到相反方向，從而有效拓寬磁通密度的有效工作范圍，并縮小這類電感的體積。常規預偏磁電感都是將永磁體內置到氣隙中或是外置構成并聯磁路，但在電流產生的高頻磁通通過永磁體時，會在永磁體內引起嚴重的渦流損耗問題，并導致電感損耗且發熱增加嚴重，同時過高的溫度會引起永磁體的退磁風險。 福州大學電氣工程與自動化學院的研究人員鄭慶杰、陳為，在2019年第21期《電工技術學報》上撰文，介紹一種磁路設計方法，通過內置式永磁預偏磁方案，可以有效地解決實際應用中出現的結構復雜和永磁體損耗問題。
在電力電子行業，儲能與濾波電感有極為廣泛的應用。近幾年隨著半導體技術的不斷進步，寬禁帶半導體器件的優勢越來越明顯，其在開關速度、開關損耗、導熱率、高溫特性和耐壓等方面均優于傳統硅半導體器件。這必然帶來電源行業的技術提升，開關頻率將進一步提高，功率密度也會隨之提升。
但是這也給磁性器件帶來了挑戰，傳統的合金磁粉芯（＜60kHz）和非晶（＜30kHz）等材料由于高頻損耗問題已經不太適合在更高頻率范圍的應用，所以基本上80kHz以上的應用場合都是以高電阻率的鐵氧體材料為主。
但是如果使用鐵氧體材料也會有一定的局限性，鐵氧體材料的飽和磁通密度Bs大約在0.4T左右，相對其他磁性材料（非晶1.5T、鐵硅1.5T，鐵硅鋁1T）要小很多。鐵氧體還有一個溫度特性不穩定問題，這會導致其飽和磁通密度Bs隨著溫度的升高而下降，到100℃時下降到大概只有0.3T左右，而實際應用時還要考慮安全裕量，所以一般在設計時最大磁通密度Bm取值要小于磁性材料高溫時的Bs值。
這將導致功率密度過小的問題，限制了電源整體功率密度的提升。功率電感按照應用分為單極性磁化與雙極性磁化，其中有很多場合如功率因數校正（Power Factor Correction, PFC）電感、直流輸出濾波電感、DC-DC（Buck和Boost拓撲等）濾波電感、光伏逆變器的最大功率點追蹤（Maximal Power Point Tracking, MPPT）電路升壓電感和變頻器的直流電抗器等都需要用到單極性磁化的電感。
近些年有很多研究著眼于單極性磁化電感的優化方案。其中最重要的技術之一就是基于永磁體的預偏磁技術，由于其可以提供一個預偏置，將工作起始點拉到B-H曲線的第三象限，所以可以大大拓寬B值，從而降低原有電感或電抗器的體積和成本，這一技術目前在變頻器的直流電抗器等領域已經得到了越來越廣泛的認可和應用。
早期的預偏磁技術基本上是在原有磁路的氣隙中直接加入永磁體，提供一個與電流激勵反向的磁場。由于永磁材料的高頻渦流損耗非常嚴重，而發熱又會給永磁體帶來退磁風險，所以此技術不太適用于具有高頻大紋波電流的場合，目前主要還是應用在低頻領域。
最近幾年有學者在研究如何讓永磁體規避由高頻電流產生的高頻磁場。相關研究都是在永磁體附近為其構造一個新的磁通路，通過磁阻比例來調節永磁體中的高頻磁通，但是這樣結構比較復雜，成本也較高，限制了預偏磁技術的推廣和應用。
福州大學電氣工程與自動化學院的研究人員基于磁路理論分析，提出一種基于內置式永磁預偏磁高頻功率電感技術，可以大大簡化磁路結構，并起到讓永磁體有效避讓高頻磁通的效果，降低了永磁體的渦流損耗和溫升，有效地提高了永磁體使用壽命與可靠性。
圖20 EI磁心氣隙電感實物
該內置式預偏磁高頻電感技術，充分利用EI磁心的內部結構特點，合理地布置了永磁體的安放位置；避免了外置時的結構件和組裝問題；同時解決了永磁體在電感中應用時的發熱和退磁問題。通過理論分析、磁路模型建立，再結合電磁仿真軟件的分析和實驗驗證，充分證明了此方案的可行性和有效性。
該方案充分利用磁心內部磁場分布特點，通過開槽方式安裝永磁體，省略了在外部構建磁路的永磁體固定裝置，節約了材料成本，縮短了制造工序，更適合工廠大批量生產。
這種結構的電感可以為客戶提供更小的體積、更高的效率和更低的成本，符合現在對電源行業高效率、高功率密度和低成本的要求。非常適合在單極性磁化的應用場合，比如PFC電感、DC-DC輸出濾波電感、光伏逆變器的MPPT（升壓）電感、儲能電感等。
以上研究成果發表在2019年第21期《電工技術學報》，論文標題為“基于內置式永磁預偏磁的高頻功率電感技術”，作者為鄭慶杰、陳為。
