2011 十月

光伏系统用先进的铁氧体物质

几近无损

电抗器和变压器中的低损耗、高饱和磁通密度磁心材料是决定变频器效能的决定性因素。新的TDK PE90铁氧体是一种尖端材料,能使光伏系统的变频器的递升斩波器和平滑电路中的电抗器损耗最小化,因此绝对能提高换能效率。

最先进的光伏系统变频器和动力调节器至少有两个对能量变换至关重要的电抗器。其中一个用于升压转换器(递升斩波电路),另一个用于输出EMC(电磁兼容)滤波或平滑(图1)。变频器的未来目标是获取98%以及更高的效能。

图1:变频器的基本电路配置

太阳能变频器需要至少两个动力电抗器:一个位于升压转换器(递升斩波器),另一个处于变频器输出用于EMC滤波。除了IGBT以外,电抗器的损耗是变频器总效能的主要决定性因素。

传统的磁心材料造成每个电抗器大约0.5%的输出功率损耗。直到最近都没人认为这个数值偏大。但是,在竞争日炽的太阳能市场,这些数值对系统的市场化推广起到消极的作用。因此,电抗器和变压器的设计正成为变频器和动力调节器生产商关注的重要方面。

如果电抗器和变压器能使变频器更加有效率,必须显示足够高的饱和磁通密度支持处于3.3-5.5kW的变频器的峰值电流,这个功率级在家用光伏系统中是普遍的。而且,必须具备比传统的磁心材料如硅钢板片或铝硅铁粉的磁心损耗要低。对此应用的解决方案就是具有优异的损耗以及饱和磁通密度特性的TDK PE90铁氧体材料。

先进的TDK PE90铁氧体开创了新的可能

新的TDK PE90铁氧体代表了现有高饱和磁通密度材料PE22的进一步的发展。在大小为109 × 55 × 115 mm³的原型电抗器中对这两种材料进行测试。经调整的气隙值与PE22和PE90的电感值均处于相似水平(1.1 mH),由磁饱和(0A的IDC的电感减少10%)决定的直流叠加峰值电流调节到大约20A。决定电抗器和变压器电流容量的直流叠加特性是设计至关重要的因素。当传统的高饱和磁通密度材料PE22在19A达到磁性饱和时,新开发的PE90在最高为21A时仍如电抗器一样运行,这是一个比PE22(图2)高10%的水平。

图2:电感随直流叠加变化的例子

由于极佳的材料特性以及高饱和磁通密度,TDK PE90材料允许电流水平比传统的PE22材料高大约10%。右边显示了测试中使用的电抗器原型。

而且,在100 °C时TDK PE90的磁心损耗比PE22低23%,使磁通密度曲线陡峭上升,小回路的线性保持到饱和为止。换言之,PE90是一种具有高饱和磁通密度Bs的优异的动力铁氧体,同时也是够格成为低损耗材料的此类材料。因此,在不改变大小的情形下,用TDK PE90制作的电抗器替换软磁合金电抗器是可能的。

减少三分之一电抗器损失

与传统材料如硅钢片和铝硅铁粉相比,TDK PE90铁氧体的优点更显而易见。对比基于总铁损和铜损的动力调节器中的电抗器的实际性能,证实了TDK PE90比传统材料的优越性。在3-kW光伏系统变频器平滑电路电抗器的模拟研究中,PE90磁芯比相似大小的硅钢片电抗器的损耗低33%,比相似大小的铝硅铁粉低大约30%(图3)。

图3:与硅钢片和铝硅铁粉在损耗方面的对比
磁芯材料硅钢片PE90
磁芯大小 [mm]* 105 × 110 × 60
电抗器损耗 [W]14.49.7
损耗比率 [%]** 10067.4
降损 [W]--4.7
磁芯材料铝硅铁粉PE90
磁芯大小 [mm]* 100 × 110 × 60105 × 110 × 60
电抗器损耗 [W]13.89.7
损耗比率 [%]** 10070.3
降损 [W]--4.1

*两种材料具有相同的磁芯和矩形线圈横截面。铁和铜线圈匝数损耗几乎是相同的。
**对比的电抗器损耗比例是100

配置较小电抗器的高频率变频器

大多数达到95%或更高效能的变频器利用沟槽IGBT,能高速运行并具有低损耗特性。但是这些具有高速软恢复的二极管的IGBT能够支持切换频率到大约30 kHz,超出了硅钢片和铝硅铁粉的运行频率范围。而且,最新的大功率IGBT具有低得多的损耗,速度更快,能使30-50kHz的从动元件符合动力调节器的高速转换要求。

如果所有这些安装好的电抗器,包括递升斩波器所用的电抗器都设计采用了先进的具有优等的磁芯损耗频率特性的铁氧体TDK PE90,变频器的工作频率就可以设置为30-35kHz并非15-20kHz的普遍标准。工作频率的加倍就再难采用硅钢片和铝硅铁粉。即使是在高频率范围,TDK PE90的磁芯损耗仍然比15-20kHz的的铝硅铁粉低得多。在高频率铜损增加时,需要的磁通密度减少,也就是磁芯大小可以减小。因此,采用TDK PE90作为磁芯材料能使变频器更加有效能,配备设计的电抗器也较小

表:TDK铁氧体物质的特征
初始渗透性* [kW/m³]23 °C 在: 2200
磁芯损耗 PCV** [kW/m³]90 °C 在: 60
100 °C 在: 68
饱和磁通密度 Bs*** [mT]3 °C 在: 530
100 °C 在: 430
剩余的磁通密度 Br*** [mT]23 °C 在: 170
内在抗磁力 HC*** [A/m]23 °C 在: 13
居里温度 TC [°C]250 分钟
规定电阻 [Ω × m]6.0
表观密度 dapp [kg/m³]4.9 × 103
热膨胀系数 [1/K]12 × 10-6
热导率 κ [W/mK]5
比热 Cp [J/kg × K]600
抗弯曲强度 δb3 [N/m²]9 × 107
杨氏模量 E [N/m²]1.2 × 1011
磁致伸缩常数 λS-0.6 × 10-6

* 在 1 kHz, 0.4 A/m时
** 在 25 kHz, 200 mT时
*** 在 1194 A/m时

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