减少器件体积重量 优化EMC特性 纳米晶合金在电力电子应用前景看好

据了解，该系列的纳米晶合金有助于优化电力电子系统中元器件的设计，可以实现减少元器件的重量和尺寸，提高整体系统的效率。

在许多传统的应用中，现有的铁氧体、坡莫合金甚至Co基非晶的设计方案已成功地被纳米晶所取代。原因在于，在许多情况下，纳米晶方案不但可实现技术迭代，还可实现较低的成本。

在不少新兴应用领域，纳米晶材料已成为首选方案，如：电力发电、配电、电力转换以及电力监测和管理等。纳米晶合金的选择使得上述应用系统将变得更高效、更可靠、更轻、更小和更智能。

以下为近20年来，纳米晶合金成功实现商业化应用的几个应用领域介绍：

在20年前的欧洲市场，各类电动机械漏电保护开关的磁芯材料主要是坡莫合金，而在近几年，纳米晶磁芯已几乎完全替代了坡莫合金的磁芯设计方案。

相比传统的坡莫合金设计方案，采用纳米晶合金的交流磁芯器件，体积和重量减少了25%-50%。同时，纳米晶合金的单位成本相比坡莫合金更是下降50%以上，这又进一步推动了纳米晶磁芯方案在ELCB领域对坡莫合金的全面替代。

有数据显示，海外市场对ELCB磁芯的需求大约是5000万只/年，以典型磁芯单重10g计算（家用版本设计负载电流30mA），每年海外ELCB/RCCB市场的纳米晶合金需求就达到500吨以上。在国内本土需求方面，这一数量也在5000万只/年，这意味着又是一个每年500吨以上的市场。

下图1为纳米晶和坡莫合金磁导率随外加磁场的变化，最佳工作点大约是：10mA/cm，在这一条件下纳米晶的磁导率几乎是坡莫合金的两倍以上，这解释了纳米晶磁芯的体积为什么可以做到坡莫合金的一半甚至以下，以及纳米晶磁芯在成本和性能上对坡莫合金形成全面替代的原因。

图1 ELCB应用中纳米晶和坡莫合金磁导率特性对比

在过去相当长的一段时间内，大多数工业应用的变速驱动系统中，EMC/EMI共模电感的唯一磁芯解决方案是铁氧体磁芯。

相比于铁氧体磁芯，纳米晶磁芯则拥有更高的磁导率（10倍于铁氧体）和更高的饱和磁感（3倍于铁氧体），这使得纳米晶磁芯在共模电感应用中，明显降低了电感元器件的体积和重量。更为重要的是，该方案降低器件绕组的铜损可达50-70%。

在已有的应用案例中，采用纳米晶磁芯的设计方案，成功实现了由两级铁氧体滤波电感的设计到一级纳米晶滤波电感的设计，极大地节约了器件空间，同时降低了制造成本。下图2为相同阻抗特性的两种方案相关参数对比，可以明显看出，无论是绕组的减少，还是重量的减轻，纳米晶磁芯方案都具有更明显的优势。

图2 CMC应用中纳米晶和铁氧体器件体积及特性对比

而在新能源汽车的电机驱动电路中，可以看到越来越多的纳米晶共模磁芯的应用，图3显示了这类电机驱动电路的原理图以及共模干扰产生的原因，这类接地共模干扰电流的产生在电机驱动电路中不可避免，如果不采用共模磁芯进行抑制，这些干扰电流就会对电机轴承表面产生严重的电腐蚀现象进而影响电机的使用寿命。

共模磁芯材料如果选用铁氧体材料，则需要的安装空间体积非常大，这在新能源汽车的电驱系统中是不可能满足的，所以纳米晶共模磁芯无论是在EMC优化特性还是在安装体积空间的节省上，相较于铁氧体共模磁芯会显示出独一无二的优势。

图3 新能源汽车电机驱动系统中纳米晶磁环共模干扰抑制电气原理

近年来，逆变技术在纯电动、混动型新能源汽车中的应用越来越多。不同于铁氧体磁芯极限工作温度只有100℃，纳米晶磁芯可以在高达180℃温度下稳定工作，确保了整个逆变器可以长期安全有效的运行，因此，纯电动、混动型新能源汽车逆变电源应用中大多采用了纳米晶磁芯方案。

下图4为奥迪Q系列混动车型的32kW逆变器，该逆变器同时整合了DC/DC模块。与大众和宝马的纯电车型类似，该跑道型的纳米晶磁芯被用于实现EMI滤波功能。

图4 车载逆变器中纳米晶磁环的应用

更多的新能源车型，其OBC和DC/DC模块以及大功率快充充电桩模块，随着功率的增加和体积的小型化，越来越多采用纳米晶磁芯作为主流设计方案。

在很多应用场景，铁氧体磁芯无法满足共模电感的设计要求。随着新能源汽车EMC标准的进一步提升，纳米晶磁芯有望在短期内成为唯一的共模电感磁芯设计方案。

图5为纳米晶护盒磁芯和涂层磁芯在OBC和DC/DC模块中的典型应用，在这类应用中，高性能纳米晶磁芯最大优势在于可以提供较高的高频磁导率（≥40,000@100 kHz），从而可以在更宽的频率范围（MHz级别）内实现高阻抗特性，提升整体模块的EMC特性。

图5 大功率OBC及DC/DC模块中纳米晶磁芯用作输出/输入共模电感

智能电表是未来智能电网系统中不可或缺的环节。超低磁导率纳米晶磁芯设计方案由于具有独特的线性度、超低功耗以及优异的直流兼容特性，成为家用智能电表中的CT首选磁芯方案。

一个典型的三相智能电表中，每一相都有一个CT。为了建立智能电网，世界范围内约有1亿台老式的法拉第电表需要更换，这些老式电表中的CT磁芯采用的是Co基非晶或者Fe基非晶，而随着智能电网系统的逐步普及，以及更为严格的电力标准，这些老式的CT磁芯将逐渐被低磁导纳米晶磁芯（磁导率约为1,500）所取代。

在国内，每年约有2000吨的高磁导率纳米晶磁芯被用于各类电表的CT磁芯中，但这些低端磁芯无法满足最新的IEC标准，随着国内智能电表的标准更新，这些高磁导率纳米晶磁芯将完全被低磁导率纳米晶磁芯所替代。

智能电表要求CT磁芯具有极好的线性度以及非常小的角差比差，同时还要求很好抗直流特性。目前市场需求的纳米晶磁芯磁导率在1,500~80,000的范围，未来随着国家智能电表标准的进一步提升，更多磁导率在1500以下的低磁导纳米晶磁芯会被用于智能电表。图6为纳米晶磁芯应用于智能电表中的角差比差特性。

图6 智能电表中纳米晶CT的角差/比差特性

在MW功率级别逆变器的电力应用中，高频电动机或发电机的轴承表面，会发生类似电火花加工效应似的电腐蚀现象，究其原因，是由IGBT产生的高频（通常是射频范围）共模干扰的轴承接地电流所致。

解决上述问题的有效方式是，采用大的纳米晶磁环组合穿过单匝线束/铜排，形成单匝滤波电感，可以有效抑制这类RF接地电流。如果采用铁氧体磁环，需要更大的磁芯体积（约是纳米晶体积的3倍），会面临更高的温升问题。

典型的应用包括：风电涡轮机、MW级大型船舶驱动电机、工业空调制冷系统、巨型造纸生产线以及集装箱起重机等其他大功率的应用。

下图7展示了单匝纳米晶共模电感磁环在风电系统中，抑制具有极强破坏性的射频共模干扰电流的工作原理。单匝纳米晶共模电感磁环有效保护电动机/发电机的轴承不发生电腐蚀现象，此外，为了应对不平衡电流，纳米晶磁环通常采用低磁导磁芯来防止过早的饱和。

图7 纳米晶磁环应用于风电系统中抑制共模干扰

下图8展示了6只纳米晶共模磁环的设计可以有效降低共模干扰电流75%（从45A下降到了10A），效果非常显著。

图8 纳米晶磁环对共模干扰电流的抑制效果

综上所述：

纳米晶软磁合金电感元件已经成功地应用于一系列新旧设计的电力电子系统中，这种增长趋势必将持续下去，纳米晶磁芯的设计方案完美地契合了“新电力时代”的各项需求。纳米晶合金优异特性总结如下：

更低的开关损耗必然会产生更多的高频干扰噪声，意味着能够满足更大功率、更高频率的EMC共模电感器件将更受欢迎，这恰好是高性能纳米晶磁芯的优势所在。随着未来几年MOSFET和IGBT技术大规模商业化应用，纳米晶磁芯将迎来更加广阔的应用空间。

随着全球纳米晶磁芯的需求持续增长，越来越多的纳米晶材料厂商加入到供应链体系中，进一步推动了纳米晶磁芯成本的降低，这无疑将进一步提升纳米晶材料的竞争力，拓宽纳米晶磁芯的应用范围。

据预测，新开发的超低磁导率系列（磁导率≤200）纳米晶磁芯，以及切割纳米晶磁芯还将成为储能电感的优选方案。储能电感将是未来除高频变压器和共模电感市场外，另一个纳米晶磁芯用量超千吨的重量级市场。

驭能科技是一家专注于新材料研发、生产及销售的技术型公司，产品主要应用于消费电子、新能源汽车与光伏等行业。

在纳米晶合金材料方面，公司凭借多年来的技术积累以及对应用市场的深入理解，开发了多种规格系列的纳米晶合金带材，并基于不同规格纳米晶合金带材的特性，结合多种复合磁场热处理工艺和张力退火工艺，开发一系列高性能的纳米晶磁芯产品，覆盖了新能源汽车、光伏逆变器、智能电网、风力发电、轨道交通、医疗器械等重要高端应用领域。

下图9为驭能科技目前开发的纳米晶带材宽度和厚度范围和一系列不同磁导率规格的合金带材。

图9 驭能科技纳米晶带材规格及成分系列

图10和图11为驭能科技开发的超薄纳米晶带材和多种磁导率规格系列带材的各项软磁特性。现阶段，驭能科技已具备量产14-16μm超薄纳米晶带材的能力，采用这种超薄纳米晶带材制备的共模电感铁芯100k频率下的磁导率最高可达42,000-45,000，这将极大提升共模电感的高频阻抗特性。

近期，驭能科技将自有的特定成分的纳米晶带材辅以特殊的张力退火工艺，开发出了具有超低磁导率特性的纳米晶磁芯，其有效磁导率在200以下，具有优异的抗饱和特性，可以更好的满足超大电流工况的使用。

此外，驭能科技拥有优异的纳米晶磁芯切割工艺，开发的C型磁芯100k磁导率可达15,000以上，产品成功商业化应用于大功率氢能燃料电池的DC/DC模块中。

未来，驭能科技还将进一步在材料成分和纳米晶磁芯的后处理工艺上继续探索，开发出更多具有优异软磁特性和更具性价比的磁芯产品。

图10 驭能科技纳米晶超薄带材特性及微观组织结构

图11 驭能科技低导磁纳米晶带材B/H曲线及抗饱和特性

基于上述各种系列的纳米晶带材的优异特性，驭能科技针对新能源汽车、光伏储能、工业电源、智能电表等领域新的需求开发了一系列环形、矩形及切割磁芯，标准系列的产品选型表见公司产品选型册，更多的产品规格需要根据客户的特别需求进行定制化设计及加工。