电力电子高频磁技术及其发展趋势

　　电力电子技术的主要研究与应用内容是电能形式的变换技术，即通过电力电子变流装置将电能的波形。频率和大小进行变换。目前。电力电子技术的应用范围十分广泛。据统计997年，美国有40的电能要通过各类电力电子变流装置进行能量转换，而到2010年，这比例将提高到8电力电子应用范围的扩大和应用水平的提高不仅引起量的扩张而且对质也提出了更高的要求。例如。到2，2年，5，0等级的高频，关电源的功率密度将要从目前的24提高到3.66，3超大规模数字集成电路的发展对在板式低压电源模拟，门board腾微处理器芯片所需要的供电模块，不仅要求效率高，电源能与芯片集成。而且要求在1.215伏的低电压下。提供7，安的电流，而且电源高频5兹技术是电力电子技术中力电子装置中必不可少的关键器件，它担负着磁能的传递储存以及滤波等功能其体积和重量般占到整+电路的20至309损耗占总损耗电压尖峰的影响，变压器原。副绕组耦合电容对隔离性能的影响，降低电力电子装置的体积和重量。提高电压调制性能的关键是提高开关工作频率。

　　随着有源开关器件及软升关技术的发展。开关损耗降低。频率提。但是在高频下，功率磁技术的发展却比较缓慢。已成为影响电力电子总体发展电力电子高频磁技术是将电力电子技术与磁技术结合起来，并将传统工频磁技术的研究和应用推向高频和特殊的磁结构。以电磁理论为基础，探讨磁件在高频下，在正弦。方波或任意波形电压激励下，以及在与电力电子电路的结合上，所产生的特殊问模型。磁场数值模型以及磁件的分析。实验和设计方法，并研究和提出各种新型的磁结构形式=电力电子高频磁技术是电力电子学科与电器学科子高频磁技术还包括高频磁性材料的研究和开发。

　　电力电子技术的发展对磁性兀件提出了新的要求。随着现代电力电子技术向着高频化。绿色化集成制造。平面化以及高功率密度方向的发展，也对磁性件提出了更高的要求。

　　磁性元件的高频化。集成化，平祢化。

　　阵列化。模块化及高效率已成为磁件发展的必然趋势，而且随着各种形式厚膜集成制造技术的发展，各种新结构的磁件应运而生。这些都带来磁件在理论分析。数学建模。优化设计。实验研究以及实际应用上的诸多问。

　　磁件的各项分布参数如漏抗。分布电容。匝间电容等及高频损耗对磁件性能起了重要作用。对这些磁件，如何构造。如何分析，如何设计。如何测试，目前都缺乏套有效的理论指导与分析依据。传统的适合于工频磁件或块状磁结构磁件的分析研究和设计方法已不能满足现代高频磁技术发展的需要，磁性元件无论在研究。

　　还是在应用上，都已成为电力电子前沿技术进步发展的瓶颈。可以说，高频磁技术研究的新成果和突破将会带动电力电子前沿应周的快速发展。

　　4国际上十分重视高频磁技术的研究和应用。美国，欧洲。日本等电力电子技术强国都十分重视高频磁技术的研究与应用。近几年，在各种电力电子的国际学术会议如0已3，5+闩1已0，等上，磁技术都已独立出来作为会议讨论和交流的专内容，而且磁技术方面的论文数量在逐年增加。1998年的国际应用电力电子会议，还将磁技术作为会议的学习专内容，但是，高频磁技术的研究目前在我国还没形成定的研究规模，电力电子领域的的研究人员往往对磁技术研究不大深入，因此，在我国开展高频磁技术的研究与应用对我国电力电子技术的发展是十分重要的，必将推动我国电力电子技术的进步。

　　电力电子离频磁技术的发展趋势磁性元件作为电力电子装置中的关键器件，与电力电子技术本身的发展和应用范围的扩大是密切相关的。

　　但同时，高频磁技术本身的发展和突破又反过来带动电力电子应用水平的进步提高和应用范围的扩大。可以说，目前高频磁技术在定程度上已成为推动电力电子技术进步发展的动力。磁技术的发展趋势主要体现在以下几个方面。

　　1.高频化叶9化9咖叫开关频率的高频化几百千赫北到兆赫兹是电力电子产品技术含量高低率磁性元件的体积和重量，从而降低整个产品的体积和重量。根据理论分析，在相同的磁通密度下。频率提高倍。变压器的铁心截面积可以减小半。同样，频率的提高可以减小电感器损耗的急剧增加。所以实际上，磁件的体积和重量的下降大体上与开关频率热条件，可以进步提高这比例。随着软开关技术的发展，开关损耗降低，使开关器件的工作频率逐步提高，但磁件损耗的急剧增大，限制了频率的进步提高。磁件的高频化是电力电子技术高频化的必然要求，也是磁件发展的*重要趋势，就磁件来说。高频化所带来的问高频下，匝间电容和原副绕组耦合电容的影响显著增大。成为不可忽略的电路参数，频率对铁芯损耗绕组损耗甚至激磁电感。漏感等参数的影响也显著增大，使得磁件的电路模型更加复杂。是使磁件的损耗增大，涡流效应更加显著。铁芯和绕组的结构和布置方式，甚至绕组的端部结构对磁件隙扩散磁通损耗急剧增加变压器原副绕组的各种结构形式对绕组损耗也有关键的影响。是给磁件的测试带来困难，在高频下。测试系统的分布参数所引起的相位误差增大。从而使磁件参数如损耗等的测量误差急剧增大。是对磁性材料提出了更高的要求，除了积极研制高频低损耗磁性材料外，也出现了各种结构形式的磁材料，如用厚膜技术制造分层磁芯，西门子公司研制的磁性薄膜，等。

　　2.平面化0西如6每电磁元件，都是磁回路和电回路的耦合。从传统的电工磁理论考虑，对于定的线圈窗口面积和铁心截面积，对*优结构，要求线圈回路和铁芯回路的长度*短，以减小铁心体积和线圈长度。所以，铁芯的线圈窗口形状1般为圆形或宽高比不大罐形等块状的铁心结构，这使得磁件通信电源力电子装置轻量化。低截面如便携电源，在板电源等；的要求的提高，客观上要求磁件具有低平的平面结构。

　　菲利浦公司首先提出了平面结构的铁氧体铁芯2.得到了广泛的应用。

　　平面的铁芯结构在理论上讲，由于窗口形状变为扁长形。降低了磁回路和电回路的利用率。但是，在高频情况下，铁芯发热成为个主要矛盾，而平面化的磁结构具有较大的散热面积，且使磁件热点到磁件面的热阻降低，从而提高功率密度另方面，磁心结构的平面化必然带来绕组结构的平面化，从而带动了对平面结构绕组的研究。例如原副绕组的夹心结构。交叠结构匝间换位结构等。而不同的绕组耦合电容都有不同的影响。平面绕组便于制造，参数致性好，适合采用多层印制板技术制造，也便于应用变压器原副边绕组的层间交叠技术和匝间换位技术等。

　　3.集成化咖9邮，门自从0第次提出了磁件集成化的思想后，磁件集成技术发展很快。

　　集成化实际上包含两方面含义是将多个磁性元件集成在个铁芯结构上。充分利用各个磁件在具体电路拓扑上的电压。电流关系以及磁路拓扑上的磁通。磁势关系，实现多个磁件例如，将两个或多个电感器制造在夂铁芯上，将变压器和电感器集成在个铁芯结构上3是将磁性元件与线路板结合，例如直接将磁件23邮电商牙2000年第14灰蜻憧电螓术将磁心和绕组制造在硅片上等。

　　对于功率变换电路，磁性元件对功率主电路的拓扑有重要的作用，增加电感或使各个电感有所耦合对电路性能的提高有重要的作用，但电感数量的增加往往相应增加了磁件的数量体积和损耗。而如果采用磁集成技术，则在电路拓扑上磁元件数量的增加并不定意味着实际电路布置上磁结构所占体积和磁件损耗的增加。所以，在研究电路拓扑时，不仅要从电路拓扑方面考虑问，还要注意将电路拓扑方案与磁件的可能的集成结构方案综合在起研究，达到磁件结构与电路结构的*佳组合。

　　4阵列化叫31心为了打破磁件传统的块状结构方结构离散为呈分布式阵列布置的磁结构，或形成层磁结构层，便于实现磁结构与线路板或其它器件的紧密配合和集成。另方面，传统结构磁件由于其铁芯和绕组损耗的集中和块状结构。

　　使其成为温升较高的集中热源的热点。

　　从整个电路的温升分布来看，发热*集中，温升*高的往往在磁件包括铁芯和绕组上，所以，阵列式磁结构的个特点是使传统块状磁结构的集中发热变为阵列结构的均匀分布发热，并大大增加了散热面积，从而使整个电路的温升分布趋向均勾，提高了整个电路的功率密度。阵列化的另个特别是通过增大面积，使磁件成为十分扁平的磁层，从而满足对外形高度有特殊需要的功率变换器的结构要求。

　　阵列式磁件的铁心结构可以有各种形压器或不同电感量的电感器。

　　5.混合化听高密度功率变换模块的主要技术问是实现各元器件的高度集成封装，提高功率密度。电路分布参数在高频下所引起的电压尖峰和能量损耗是提高频率的个主要障碍。缩短各个元件之间的连线，可以减小高频电路分布参数的影响，降低半导体器件上电压，电流的应力，减小能量循环，提高效率。高度集成封装不仅减小了模块体积。更重要的是提了模块的可靠性和效率。目前，国外的产品已实现了有源器件的跳线州1阳30集成封装。但无源器件般仍为分立器件。磁件的混合化就是将磁性元件和其它电路器件，如开关器件。极管电容等合成制造在起，以尽量缩短或消除器件之间的连线。例如，通过电感器箔形绕组的层间分布电容来实现混合化的滤波器，通过薄膜工艺将铁氧体材料和绕组材料做在硅基片上，使极管和变压器混合材料做在铁氧体基片上。由于磁性元件包含铁心和绕组，这是混合化设计和制造的困难所在。

　　结论磁性元件的研究。分析，设计和构造是电力电，技术的重要内容。高频。高功率密度和特殊外形结构的功率变换模块是当前电力电子发展的前沿，电力电子高频磁技术是电力电子技术与磁技术的紧密结合。目前，我国电力电子高频磁技术的发展比较缓慢，已成为影响电力电子总体发展的个制约因素。磁性元件作为电力电子的关键器件，与电力电子技术本身磁技术本身的发展和突破又反过来带动电力电子应用水平的进步提高和应用范围的扩大。高频磁技术的发展将带来传统磁结构的变革，使磁件向着高频化。平面化。集成化。阵列化和昆合化方向发展。局频磁技术的研究和应用内容正在不断扩大和深化。