導讀：

    1 前 言 電力電子技術的發展，決定于主要的電力電子元器件，例如電子開關元器件，整流元器件和控制元器件。作為配套元器件之一的磁性元器件也對電力電子技術產生不可低估的影響。磁性元器件根據它們的作用，...

    1 前 言
    
     電力電子技術的發展，決定于主要的電力電子元器件，例如電子開關元器件，整流元器件和控制元器件。作為配套元器件之一的磁性元器件也對電力電子技術產生不可低估的影響。磁性元器件根據它們的作用，有以下幾種：
     （1）起電能傳送、電壓變換和絕緣隔離作用的電源變壓器，包括整流變壓器、逆變變壓器和開關電源變壓器等。
     （2）起控制開關元器件、脈沖變換和絕緣隔離作用的脈沖變壓器、觸發變壓器和驅動變壓器等。
     （3）起電參數變換和穩定作用的相數變換變壓器，頻率變換變壓器（鐵磁式倍頻器和分頻器），穩壓變壓器、穩流變壓器和參數變壓器等。
     （4）起抑制紋波、突變、EMI和噪聲的濾波電感器、噪聲和尖峰吸收電感器等。
     （5）起電流電壓信號變換和檢測作用的電流互感器、電壓互感器和霍爾電流電壓檢測器等。
    
     有一段時期，這些電力電子技術中的磁性元件被稱為特種變壓器和特種電感器，從便與電力變壓器和電力電感器相區別。后來，由于電力電子技術的發展，使電子技術涵蓋了從低到高的頻率范圍，從小到大的功率范圍，成為包括微電子技術，無線電電子技術和電力電子技術的一個整體。因此，把電力電子技術中的磁性元器件和其他電子技術中的磁性元器件歸在一起，由于其中變壓器占主要地位，都用“電子變壓器”作為統一的名稱。電力電子技術中的磁性元器件，是電子變壓器的一部份。電力電子技術發展對磁性元器件提出的要求，是推動電子變壓器發展的動力。電子變壓器的發展，也為電力電子技術的發展提供有力的基礎。特別是近十年來，磁性元器件所用的軟磁材料和磁芯結構的新進展，使其性能有顯著的變化，為電力電子技術高頻化和小型化起著推動作用，解決了一些關鍵的難點。
    
     為了使電力電子技術和電子變壓器在我國都得到快速發展，兩個行業之間進行信息交流將會起積極作用。《國際電子變壓器》編輯部收集材料，編寫“電力電子技術中磁性元器件的新進展”，是希望以本文為契機，加強與電力電子行業的交流和聯系。同時也真誠的邀請電力電子技術專家和工作者，把電力電子技術中各種磁性元器件的要求和信息，通過《國際電子變壓器》傳送給電子變壓器行業，以便研發和生產的電子變壓器，更好的滿足電力電子行業要求。
    
     2 磁性元器件用軟磁材料的新進展
    
     電力電子技術中磁性元器件采用的軟磁材料有硅鋼、軟磁鐵氧體、高磁導鐵鎳合金（坡莫合金），非晶和納米晶合金以及磁粉芯和薄膜。下面分別介紹軟磁材料近十年來取得的新進展。
    
     2.1 硅鋼
     硅鋼是電力電子技術中低頻大功率磁性元器件常用的軟磁材料，近十年來，從調整硅含量，減少厚度和改進工藝方面對它進行改進，使性能不斷提高，工作頻率范圍從工頻，擴大到400Hz～10KHz中頻，最高達到200KHz～315KHz高頻。不但用于大功率電源變壓器，也可以用于追求體積小和環境適應性好的高頻小功率開關電源變壓器。
     調整硅鋼中的硅含量，從3％增加到6.5％，可以使它性能趨向最佳，磁導率升高，損耗下降，磁致伸縮系數變小，但是硅含量增加，硅鋼延伸率下降，不能再采用軋制工藝直接生產。20世紀90年代初，日本開發成功用化學沉積法生產6.5％硅鋼帶材的大規模生產工藝。到1998年可大量生產 0.50～0.05mm厚6.5％硅鋼，寬度最大為640mm。2001年我國也試制成功6.5％硅鋼。可以作為400Hz～10KHz中頻磁性元器件大量使用的軟磁材料。例如0.1mm厚6.5％硅鋼在400Hz 1T下損耗為5.7w/kg,0.1mm厚3％硅鋼為7.2w/kg，在 10KHz 0.1T下損耗0.1mm厚6.5％硅鋼為8.3w/kg，0.1mm厚3％硅鋼為18w/kg。也就是說，用它們制造中頻電源變壓器，在保證一定損耗的條件下，6.5％硅鋼工作磁通密度比3％硅鋼高，用鐵量減少。還有6.5％硅鋼的磁致伸縮系數為0.1×10-6左右，比3％硅鋼小8倍，可以降低人體敏感的400Hz～40KHz中頻段的可聞噪聲。日本已用0.1mm厚6.5％硅鋼制造出一臺200KVA 400Hz中頻電源變壓器，磁通密度為0.5T，用鐵量為250Kg，用銅量為125Kg，總重量為420Kg,可聞噪聲70db。用0.1mm厚3％硅鋼，磁通密度為0.3T,用鐵量為 320Kg，用銅量為160Kg，總重量為550Kg,可聞噪聲80db。同時，1998年日本采用同樣的化學沉積工藝生產出硅含量梯度分布的低剩磁硅鋼，磁通變化量△B可達1.2T左右，遠大于3％硅鋼的0.5T,可用于大功率脈沖變壓器。
     減少硅鋼帶材厚度，可使渦流損耗下降。到20世紀90年代，大功率50Hz磁性元器件使用的冷軋硅鋼厚度，已從0.35mm下降到0.23mm, 在50Hz，1.7T下的損耗可下降0.12～0.15w/kg。90年代初采用三次再結晶軋制和處理工藝，軋制出0.081mm和0.032mm厚的薄硅鋼，克服飽和磁通密度隨厚度下降的缺點，仍為2.03T。在50Hz 1.7T下的損耗，0.081mm厚硅鋼為0.37w/kg，0.032mm厚硅鋼為0.21w/kg，比0.30mm厚硅鋼的1.02w/kg大幅下降。不但使50Hz大功率磁性元器件采用硅鋼可以達到現在損耗的最低水平，而且可以擴展硅鋼使用的工作頻率到20KHz以上，已見到硅鋼用于200KHz～315KHz高頻磁性元器件中的報導。
     從20世紀90年代開始，各國都投入大量的人力物力研究硅鋼的磁疇細化處理工藝。現在取得的成果是使0.23mm厚硅鋼在50Hz 1.5T下損耗再下降0.1w/kg。日本已定型大量生產，用于新一代節能型電力變壓器中，可使空載損耗比原來下降30％左可。估計用于整流變壓器也可以取得相當的節能效果。我國正在試制這種磁疇細化處理后的硅鋼。
    
     2.2 軟磁鐵氧體
     軟磁鐵氧體是電力電子技術中的中高頻中小功率磁性元器件常用的軟磁材料，具有電阻率高，批量生產容易，性能穩定，可利用模具制成各種磁芯，特別是成本低的特點，但是，加工大型軟磁氧體不容易，產品易破碎，使它的使用功率受到限制。軟磁鐵氧體飽和磁通密度低，在50Hz～1KHz頻率范圍內，很少使用它。有人認為軟磁鐵氧體環形磁芯沒有氣隙，在聲頻范圍內工作時不會產生可聞噪聲，那也是一種誤解。軟磁鐵氧體磁致伸縮系數遠大于硅鋼，在聲頻范圍內工作，有比較大的可聞噪聲。
     20世紀90年代初，對軟磁鐵氧體的損耗隨頻率變化的機制進行了詳細研究。發現它有一個最佳工作頻率，這時損耗處于最低點。有一個極限工作頻率，超過它，損耗就始終比較大。因此90年代研究出的軟磁氧體第四代產品，如日本TDK的H7F（PC50）,中國的R1.4K,最佳工作頻率為1MHz,最大極限工作頻率3MHz，性能因子（Bxf）為25000，即在1MHz時工作磁通密度為25mT,比80年代的第三代產品有顯著的提高。第三代產品，如日本TDK的H7C4（PC40）,中國的R2KB1,最佳工作頻率300KHz，最大極限工作頻率1MHz，性能因子為15000。近年來，一方面從改變添加劑，另一方面從改變工藝，使粉末細化，進一步改善軟磁鐵氧體的性能。但是粉末細化程度受磁疇尺寸限制，再要提高軟磁鐵氧體的工作頻率相當難，不得不尋找新的途徑，轉向磁性復合材料和納米材料。