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光伏逆变器用软磁材料

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  • 更新日期:2012-07-12 10:12
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详细介绍
光伏逆变器为光伏发电系统的重要组成部分之一。光伏逆变器中使用各种磁性元件,根据光伏逆变器的具体设计要求,使用对应的软磁材料非常必要。本文分别介绍了天通公司针对光伏逆变器中的功率电感﹑高频隔离变压器和EMI滤波电感对应的软磁材料。

摘要:  光伏逆变器为光伏发电系统的重要组成部分之一。光伏逆变器中使用各种磁性元件,根据光伏逆变器的具体设计要求,使用对应的软磁材料非常必要。本文分别介绍了天通公司针对光伏逆变器中的功率电感﹑高频隔离变压器和EMI滤波电感对应的软磁材料。

关键字:  光伏逆变器,软磁材料,磁性元件

1 引言
太阳能资源丰富、分布广泛,是最具发展潜力的可再生能源。随着全球能源短缺和环境污染等问题日益突出,太阳能光伏发电因其清洁、安全、便利、高效等特点,已成为世界各国普遍关注和重点发展的新兴产业[1]。
光伏逆变器为光伏发电系统的重要组成部分之一,主要功能是将太阳能模组输出的直流电转成交流电。光伏逆变器中的磁性元件主要包含EMC滤波电感﹑Boost升压电感﹑逆变电感﹑高低频隔离变压器﹑驱动变压器﹑互感器与(漏)电流传感器等[2]。根据器件的性能要求不同,对应软磁材料的要求也不一样。因而根据光伏逆变器的具体设计要求,使用对应的软磁材料非常必要。
本文分别介绍了天通公司针对光伏逆变器中的功率电感﹑高频隔离变压器和EMI滤波电感对应的软磁材料。
2 光伏逆变器逆变器用软磁材料
2.1 功率电感用高Bs低损耗MnZn材料TPB15
功率电感主要在逆变系统中充当滤波和储能作用,一方面从工作电流的角度来看,功率电感在其整个工作段内纹波电流相对较大并且工作温度较高,从而功率电感的直流偏置特性要求较高(尤其是高温时),提高功率电感对应铁氧体材料的高温Bs(饱和磁通密度)非常必要;另一方面,从损耗的角度来看,功率电感的损耗可能占到太阳能逆变系统总损耗的20~40%,降低功率电感对应铁氧体材料的功率损耗非常必要。针对光伏逆变器中的功率电感的性能要求,我们开发了高Bs低损耗MnZn材料TPB15。
表1为TPB15材料与天通传统的TP4材料的材料性能对比。图1为 TPB15材料与天通传统的TP4材料的Bs-T曲线对比。由表可见,相对于天通传统的TP4材料,TPB15材料的Bs有显著的提升,尤其是高温的Bs。图2为TPB15材料与天通传统的TP4材料的Pcv-T曲线对比。由图可见,相对于天通传统的TP4材料,TPB15材料的功耗谷点设计在100℃左右,低温段的功耗不如TP4材料,但是高温段的功耗基本与TP4材料相当。一方面考虑到铁氧体磁芯气隙处的涡流损耗可以通过分布式气隙和气隙避让技术来做优化处理,另一方面,使用高Bs材料,就可以把工作磁通密度Bm选得高一些,可以减小磁心的尺寸,因此TPB15材料能够满足光伏逆变器中的功率电感的低损耗和小型化的要求。
2.2 高频隔离变压器用高频低损耗MnZn材料TP5i
高频隔离式变压器一方面可以有效的隔离掉直流谐波,防止对交流电网产生干扰,另一方面还有升压功能。其工作频率较高,体积相对较小,特别适用于现在逐步流行的太阳能微逆变器。为提高逆变器效率,高频隔离式变压器用铁氧体磁芯要求高使用频率、高饱和磁化强度、低损耗。针对光伏逆变器中的高频隔离式变压器的性能要求,我们开发了高频低损耗MnZn材料TP5i[3]。
表2为TP5i材料与天通传统的TP4材料的材料性能对比。如表所示,TP5i材料的高频损耗较小,相对于天通传统的TP4材料,更适合高频隔离式变压器的高频低损耗要求。图3为TP5i材质磁芯产品与国外合格产品Pcv-T特性对比。由图可见,TP5i材料在整个使用的温度段内具有更低的损耗,使用TP5i材料做成的高频隔离变压器,相对于国外产品,高温100℃的功耗Pcv降低40%以上。我们知道,逆变器出力状态还受天气变化影响。光照强,阳光直射情况出力大;夜间光照弱,逆变器处于停机状态,逆变器出力变小,电池效率下降。TP5i材料在低温和高温段的损耗均较小,非常有利于微逆变器的转换效率的提高。
表 2  TP5i材料与天通传统的TP4材料的材料性能对比
Initial permeability μi 25℃  TP4 TP5i
   2300±25% 1500±25%
Saturation  magnetic
flux density
 Bs(mT)  1194A/m 25℃  510 470
  100℃  390 380
Core loss  Pcv
(kW/m3) 100kHz
200mT 25℃  650 80★
  100℃  410 120★
Curie temperature TC(℃)   220 240
Electrial resistivity ρ(Ω•m)   6.5 8
Density d(kg/m3)   4.8×103 4.6×103

备注:★ 表示在 500kHz,50mT条件下测试[#page#]
2.3 EMI滤波电感用高直流叠加低损耗FeSiAl磁粉芯
在光伏逆变器中,起消除直流和交流中高次谐波作用的磁性元件是滤波电感器。直流滤波电感器接在逆变器输入端,要承受直流和交流叠加,工作电流大,电感也大[4]。传统的铁氧体材料由于受Snoek极限的限制,在高频使用时,抗EMI能力下降,因此具有特殊软磁性能的金属磁粉芯材料成为制作光伏逆变器中EMI滤波电感的理想材料。
在各类金属磁粉芯中,铁硅铝磁粉芯具有分布式气隙、饱和磁感应强度大、宽恒磁导率、高居里温度、温度稳定性好、在高频下具有极低的损耗,几近为零的磁致伸缩系数使其成为消除滤波电感器中的高频噪声的最佳选择。针对光伏逆变器中的EMI滤波电感的性能要求,我们开发了高直流叠加低损耗FeSiAl磁粉芯。
图4为我们开发的各种磁导率的铁硅铝磁粉芯的直流偏置特性。由图可见,铁硅铝磁粉芯由于是分布式气隙,具有软饱和特性,随着偏置电流的增加,磁导率缓慢下降;在相同的偏置电流下,随磁导率下降,磁导率下降率越小(直流偏置特性越好)。通过粉末粒度、复合方法、钝化工艺、热处理气氛等因素的研究,我们可以对FeSiAl磁粉芯的直流叠加特性进行有效控制[5]。
图5和图6分别为26μ~40μ、60μ~125μ FeSiAl磁粉芯的功耗特性。由图可见,26μ~40μ的功耗要比60μ~125μ铁硅铝磁粉芯的要低。FeSiAl磁粉芯磁导率越高,功率损耗越低,而直流叠加特性将变差,因而需要根据光伏逆变器中EMI滤波电感的具体要求选择适当的磁导率的FeSiAl磁粉芯来兼顾功率损耗和直流叠加特性的双重要求。
3 总结
(1)针对光伏逆变器中的功率电感的性能要求,我们开发了高Bs低损耗MnZn材料TPB15。
(2)针对光伏逆变器中的高频隔离式变压器的性能要求,我们开发了高频低损耗MnZn材料TP5I。
(3)针对光伏逆变器中的EMI滤波电感的性能要求,我们开发了高直流叠加低损耗FeSiAl磁粉芯。
参考文献
[1] 工业和信息化部. 太阳能光伏产业“十二五”发展规划[EB/OL]. http://www.miit.gov.cn/n11293472/n11293832/n11293907/n11368223/14473431.html, 2012-02-24/2012-03-18
[2] 郑庆杰. 太阳能逆变器中的磁性元器件[A]. 2010’中国电子变压器﹑电感器第四届联合学术年会论文集[C]. 福州:中国电源学会,2010. 180-184
[3] 邢冰冰,顾张新,聂敏,等. 微逆变器用铁氧体材料TP5i [A]. 中国电源学会第十九届学术年会论文集[C]. 上海:中国电源学会,2011. 109-110
[4] 郭晓东,何俊,颜冲,等. 软磁材料在光伏产业中的应用[J]. 磁性材料及器件,2012,43(1):6-8
[5] 杜成虎,朱小辉,聂敏,等. 提高FeSiAl磁粉心直流叠加特性的研究[A]. 2011中国功能材料科技与产业高层论坛[C]. 重庆:中国仪器仪表学会仪表材料分会,2011. 31-34
作者简介
聂敏(1980-),男,湖南省邵阳市人,2005年12月毕业于日本国立丰桥技术科学大学生产工学系,工学硕士,天通控股股份有限公司磁性材料事业本部软磁研究所副所长,主要从事高性能软磁材料的研发及管理。

 
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