2009 十月

铁氧体材料N95提升电源应用效率

将损耗降至最低

爱普科斯(EPCOS)的新型铁氧体材料N95在开关电源应用中可大大减少功率变压器损耗,使工作效率得到大幅度提高,特别是当功率变压器在零负荷或非满负荷条件下操作时。


2009年4月初,欧盟委员会就已颁布了其关于电源功耗的第278/2009号指令。该指令旨在于2010年前废除欧洲市场上功耗大和效率低的电源。欧盟希望该措施可实现在2020年前将功耗减少9TWh的目标。


电源能耗主要发生在变压器的铁氧体磁芯和绕组上。全负荷下的最大效率定义为绕组与铁氧体磁芯损耗的特定比,取决于铁氧体材料的选择、工作温度和频率。功率变换器的开发用于在特定工作温度下进行最佳化(如采用最大效率)运作。因为绕组损耗取决于电流的平方,进而取决于所载负荷,因此在负荷较低时,其损耗也将大大地减少。随着负荷的减低,温度的降低,绕组的特定电阻也将降低,因此也同样可减少绕组功率损耗。相比之下,功率铁氧体在特定电压和频率下的损耗将随温度的降低而增加。这正是铁氧体磁芯能够在低负荷或零负荷条件下从根本上减少功率变换器损耗的原因。


因为铁氧体材料是设计用于在全负荷和操作温度下最小化损耗,因此磁芯损耗在温度下降时必须保持不变,以改善其在非满负荷下的效率。


与传统材料相反,新型N95功率铁氧体材料可在非满负荷条件下提高效率并实现节能。其特征表现在100 kHz, 200mT环境下其平坦的損耗最小值为315 kW/m3,并具有60 °C-100 °C的宽温度范围。另一个优势是其具有高磁通量,25 °C时为525mT,100 °C时则为410mT。现可供应电源用商业和定制铁氧体磁芯。


图1显示为传统功率铁氧体材料(N87和N97)与N95材料的温度曲线比较。N95材料具有非常平坦的温度曲线。

 图1: 功率损耗比较

当温度为低于90℃时,N95具有较传统材料更低的功率损耗。

对于N87和N97材料,最小损耗出现在100℃,这对功率铁氧体来说比较普遍。在这两种材料中,N97的损耗相对较低,其曲线特性与N87相似。不过,N95材料的损耗曲线相对较低,并在25 °C-100 °C的宽温度范围内显示出相对平坦的特性。

磁芯损耗、绕组损耗和热阻


图1所示曲线为在具有均匀磁体横截面的环形磁心圈上所测得的带正弦磁通波形的特定磁芯损耗。该数据可用于指定磁芯形状和非正弦磁通的功率变换器,以使用等效频率概念确定实际的磁芯损耗。此模型基于下列简化过程:

  • 频率和通量密度振幅保持不变
  • 负荷变化,输出电压保持不变,输出电流随部分负荷直线性地下降。
  • 功率变换器具有从零负荷到全负荷整个负荷范围的线性调整率。
  • 工作比改变以补偿由于调整率而引起的效应
  • 热阻为线性,室内温度变化时,其值仍保持不变。

全负荷条件下的磁芯损耗Pcfl、绕组损耗Pwfl和总损耗Ptfl(Pcfl和Pwfl总和)均以带功率铁氧体典型变压器的最大效率显示在图2中。在全负荷条件下,室内温度50 °C(Tamb1)和操作温度100 °C上的操作点P1和热阻Rth1均固定。

 图2: 铁氧体磁芯变压器的典型功率损耗曲线

在全负荷、最大效率情况下,带铁氧体磁芯的典型变压器的损耗温度和热阻曲线

在室内温度转为较低的30°C时,热阻曲线的斜率保持不变,但是操作点移动到点P2。此时,转换至较冷周边环境不会影响变压器的损耗。


全负荷(Ptfl)、80%负荷(Pt80%)、50%负荷(Pt50%)、20%负荷(Pt20%)和零负荷(Pcnl)条件下的变压器损耗温度曲线(见图3)可通过简化模型显示。所选铁氧体磁芯为低剖面RM14(RM14lp),功率铁氧体材料为N95。功率变换器采用推挽式模式操作,工作比在全负荷时为一,频率为100 kHz,通量密度的振幅为200mT,室内温度为50 °C,全负荷时的温度增量为50 °C。变压器从零负荷到全负荷之间的调整率为7.5%。变压器在指定条件下以最大效率运作。功率变换器的吞吐量为756 W。

 图3: 各种负荷条件下的功率损耗

N95 RM14lp推挽式变换器非满负荷下的损耗温度曲线(f = 100kHz,B = 200mT),以及50 °C和30 °C室内温度下的热阻曲线

当室内温度为50°C时,全负荷、80%负荷、50%负荷和零负荷的操作点分别为P1、Q1、R1和S1。当室内温度为30°C时,操作点则对应为P2、Q2、R2和S2。非满负荷情况下的损耗变化和温度上升可从这些曲线中确定。曲线上的点R1在50%负荷和室内温度50°C上产生一个操作点。操作温度为73°C时,变压器损耗为5.55 W。


图4所示为通过采用材料N97和N95替代传统N87-RM14lp磁芯所获得的潜在节能性能。损耗的减少带来直接的能量节约:假设室内温度50°C、功率变换器的平均负荷为50%(图3点R1),若采用N95替代N87,每1000台此类型变换器每年可节省能源11 400 kWh,采用N97替代则可节省6100 kWh;若室内温度为30°C(图3点R2),采用N95替代N87可节省能源17 500 kWh,采用N97替代则可节省5500 kWh。虽然N97在90%-100%负荷时节省的能源比N95在室内温度50°C时所节省的多,但N95材料在室内温度为30°C时,在所有负荷情况下均可获得最佳的节能性能。

 图4: 潜在节能性能

在100 kHz和200mT条件下,推挽式变换器通过采用N97和N95材料替换N87-RM14lp磁芯所节省的直接能源

对空调系统的需求减少

N95在低室内温度所节省的能源比N97多。因为大多数情况下服务器应用的电源都位于空调环境中,所以温度的上升在能源节省上起到非常重要的作用。较低的温度上升幅度将间接节约额外的能源。传统空调装置调节每吨空气所需的电源大约为3.5 kW,且随着温度升高相应地增加。假设功率变换器效率为90%,仅变压器就可消耗空调装置要求电能的15%左右,相当于每吨空气约550W。


通过将N87替换为N95,每年仅空调装置每小时每吨空气所节省的能源为830 kWh---对环境的影响大大减低。

作者: Probal Mukherjee,铁氧体产品开发部

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