電力電子高頻磁技術(shù)分析及其發(fā)展趨勢探討

雷靜靜 唐瑤

摘要：近幾年，社會在不斷進步，我國的工業(yè)技術(shù)也在不斷發(fā)展和進步，電力電子高頻技術(shù)成為電力電子技術(shù)領(lǐng)域的發(fā)展新趨勢，國際上對于這一領(lǐng)域投入了很多的關(guān)注，我國也在積極地探索這一領(lǐng)域的新機遇和新方向。在結(jié)合電力電子高頻磁技術(shù)發(fā)展的整體趨勢后，也針對電力電子高頻磁技術(shù)在現(xiàn)代電力電子技術(shù)中的地位和作用展開一定的探討，對電力電子高頻磁技術(shù)今后能夠發(fā)展的趨勢來進行探討。本文將圍繞電力電子高頻磁技術(shù)展開分析并簡要闡述其發(fā)展趨勢，供相關(guān)人士進行參考借鑒。

關(guān)鍵詞：電力電子高頻磁技術(shù);分析;發(fā)展趨勢

中圖分類號：TP399 文獻標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-3044（2020）12-0227-02

電力電子技術(shù)在我國有著非常廣泛的應(yīng)用，且應(yīng)用前景也十分的開闊。電力電子技術(shù)的核心就是圍繞電能行駛的轉(zhuǎn)換，通過研究和應(yīng)用電能行駛大的轉(zhuǎn)化，探索更多的技術(shù)運用。電力電子技術(shù)的應(yīng)用越來越廣泛，電能通過電力電子變流裝置進行的能量轉(zhuǎn)換比例已經(jīng)達到80%，而且對于其中的質(zhì)量也有了很多的提升。高頻磁技術(shù)是電力電子技術(shù)中心的一項重要內(nèi)容，也是電力電子技術(shù)提升的一種體現(xiàn)。其中的功率磁性元件也是電力電子裝置中的關(guān)鍵部件，該元件能夠承擔(dān)磁能的傳遞和儲存，所以它整體占到電路的五分之一到三分之一，總體的損耗也占到了百分之三十。

1電力電子高頻磁技術(shù)研究的意義

電力電子高頻磁技術(shù)是電力電子技術(shù)與磁技術(shù)的結(jié)合，而且電力電子高頻磁技術(shù)還將傳統(tǒng)的工頻磁技術(shù)提升到了高頻和特殊的次結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了這一技術(shù)的提升。在電磁理論基礎(chǔ)中，電力電子高頻磁技術(shù)探討了磁件在高頻的情況下，受到正弦、方波或者其他形式的電壓的激勵后，產(chǎn)生的一些特殊問題。通過對于電力電子高頻磁技術(shù)的探究，還能夠建立起新型的磁結(jié)構(gòu)形式。電力電子高頻磁技術(shù)四結(jié)合了多門科學(xué)學(xué)科的綜合技術(shù)，對于電力電子高頻磁技術(shù)的研究也能夠促進多學(xué)科之間的融合，對多個領(lǐng)域都能夠研究和開發(fā)，共同進步。

現(xiàn)代電力電子技術(shù)正在飛速的發(fā)展，而且它的發(fā)展也帶動了磁性元件的發(fā)展，對磁性元件提出了更高的新要求。隨著現(xiàn)代電力電子技術(shù)的不斷進步，高頻、綠色和集成制造成了技術(shù)新的追求，平面化則能夠提高功率密度，所以磁元件也在朝著平面化不斷的發(fā)展和探索，通過平面化的趨勢對磁性元件自身也提出了更高的要求。磁性元件為了能夠與電力電子技術(shù)更好的結(jié)合，也需要滿足相應(yīng)的提升，能夠更好地提高自己的陣列化和模塊化，全面的提升自己的效率。另外電力電子高頻磁技術(shù)是電力電子技術(shù)和磁技術(shù)的結(jié)合，所以磁件的進步發(fā)展也是電力電子高頻磁技術(shù)進步的需求。對于磁件的工藝，也有了更高的要求，比如說應(yīng)該如何更好地解析磁件，這就包括磁件的構(gòu)造和分析，并且也要針對磁件的設(shè)計來進行研究，另外相應(yīng)的測試也需要進行相關(guān)的論證。隨著技術(shù)的發(fā)展，傳統(tǒng)的工頻磁件或者塊狀次結(jié)構(gòu)磁件的研究方法已經(jīng)不能跟上整體的技術(shù)發(fā)展，特別是高頻磁技術(shù)出現(xiàn)后傳統(tǒng)的一些研究方法都需要被革新，所以要在磁元件上進一步的去深入研究，另外也要通過電力電子的相關(guān)瓶頸來達到電力電子技術(shù)的進一步突破。高頻磁技術(shù)的不斷研究和進步就能夠突破電力電子的技術(shù)瓶頸，更好地獲得帶動整個電力電子技術(shù)的快速發(fā)展。

高頻磁技術(shù)在國際上也受到了很多的關(guān)注，電力電子技術(shù)強國對于電力電子高頻磁技術(shù)都在不斷地深入研究和應(yīng)用。在各項國際電力電子技術(shù)學(xué)術(shù)交流會上，都將電力電子高頻磁技術(shù)獨立拿出來進行討論和交流，而且相關(guān)的研究也變多，學(xué)術(shù)上的論文也有了數(shù)量上的提升。對于這一領(lǐng)域的研究人員也在不斷地增加，國際上的學(xué)習(xí)專題回憶也將會作為電力電子高頻磁技術(shù)發(fā)展的推動，更好地促進學(xué)術(shù)人員在這一領(lǐng)域的探究。我國近幾年來也一直在開展電力電子高頻磁技術(shù)的研究，因為電力電子高頻磁技術(shù)的發(fā)展將會是一個整體趨勢，也會是電力電子技術(shù)領(lǐng)域的一次技術(shù)革新。

2電力電子高頻磁技術(shù)的發(fā)展趨勢

電力電子高頻磁技術(shù)對于電力電子技術(shù)來說是一個新領(lǐng)域，而這個新領(lǐng)域的核心就是磁元件的發(fā)展，他們之間都存在著密切相關(guān)的聯(lián)系，所以想要讓電力電子高頻磁技術(shù)有更好的發(fā)展，就需要與電力電子技術(shù)和磁元件的發(fā)展相互結(jié)合。通過電力電子高頻磁技術(shù)的發(fā)展退工電力電子應(yīng)用書評的提升，另外又能夠更好地結(jié)合磁技術(shù)的發(fā)展，讓多個領(lǐng)域都能夠融合進步與發(fā)展。磁技術(shù)的發(fā)展作為核心主要有以下幾個趨勢。

2.1高頻化

開關(guān)頻率的高頻化是電力電子產(chǎn)品技術(shù)含量高低的重要標(biāo)志，如何提高開關(guān)的頻率是一個重要的研究趨勢，而且通過提高開關(guān)的頻率能夠進一步的降低功率磁性元件的體積和總量，從而在相同的磁通密度下做到整體頻率的倍數(shù)提高。而且通過這樣的操作還能夠?qū)崿F(xiàn)變壓器的鐵芯截面積減少。通過高頻化的處理，還能夠減少電感器的電感量。通過已知的數(shù)學(xué)模型可以得知，磁件的體積和重量下降會與開關(guān)頻率的平方根成正比，而且如果能夠改善磁件的散熱條件，還能夠提高這個比例。因此，現(xiàn)代電力電子技術(shù)多運用軟開關(guān)技術(shù)，軟開關(guān)技術(shù)的發(fā)展能夠讓整體的損耗變得更低，全面的提高開關(guān)器件的整體工作效率，而且減少了磁件的整體損耗，也就提高了整體的高頻化，實現(xiàn)了電力電子高頻磁技術(shù)對于高頻化的要求，成了磁件發(fā)展的重要趨勢。

高頻化能夠讓磁件的分布參數(shù)影響增大，這就能夠讓一些磁件的整體影響有著顯著的增加，比如變壓器在高頻的情況下能夠讓匝間電容和原副繞組耦合電容的影響顯著增大。另外比如一些幾次電感、漏感以及鐵芯損耗等等，這些都會受到高頻化的影響，讓磁件的電力模型變得更加的復(fù)雜。另外高頻化也會增大磁件的整體損耗，因為在高頻化的影響下渦流反映匯編得更加顯著，一些繞組的端部結(jié)構(gòu)都會給磁件帶來明顯的損耗，有一些電感器的氣隙擴散磁通損耗也會急劇的增加。另外高頻化也會對磁件的測試帶來困難，高頻下測試系統(tǒng)的整體分布參數(shù)都會因為持續(xù)高頻而導(dǎo)致相位誤差，另外磁件參數(shù)的整體測量誤差也會急劇的增大。磁性材料如果能夠更加穩(wěn)定，且能夠更好地抵消高頻帶來的影響，就能夠推動高頻磁技術(shù)更好的發(fā)展，也能更好地契合高頻化的要求，這樣才能夠更好地推動電力電子高頻磁技術(shù)的發(fā)展。

2.2平面化

我們了解到每個電磁元件都包括了磁回路和電回路的耦合，如果從傳統(tǒng)的電工磁理論來進行考慮就能夠根據(jù)優(yōu)化結(jié)構(gòu)來進行調(diào)整，從線圈窗口面積和鐵芯截面積來進行考慮，進一步減小線圈的長度和鐵芯的整體體積。一般來說，鐵芯的線圈窗口形狀主要是環(huán)形、EE形和EI形，另外還有一些罐形，這些情況的磁件高度都會比其他的元器件高?，F(xiàn)在技術(shù)要求電力電子裝置的水平提高，整體電力電子裝置都能夠更加的輕量化和低截面，這也就是磁件開始具有低平的平面結(jié)構(gòu)的要求。磁件平面化即鐵芯的窗口形狀變成扁長形，這樣會降低磁回路和電回路的利用率。加上上文所述的高頻化，鐵芯發(fā)熱的比較厲害，平面化將會擴大磁件表面的散熱，緩解了嚴(yán)重的發(fā)熱現(xiàn)象，而且磁件熱點到磁件表面的熱阻也得到了降低，這樣就能夠更好的提高功率密度，全面的提升磁件的工作效率。平面化也會導(dǎo)致整個磁芯結(jié)構(gòu)中的繞組結(jié)構(gòu)也更加的平面化，所以對于磁件的平面化研究就會延伸到繞組結(jié)構(gòu)的平面化研究。如果繞組結(jié)構(gòu)能夠進一步的平面化，就能夠出現(xiàn)更多的可能性，比如夾心結(jié)構(gòu)、交疊結(jié)構(gòu)和匝間換位結(jié)構(gòu)，這些結(jié)構(gòu)都能給變壓器帶來更多的幫助，可以不同程度的降低漏電感，改善一些高頻電阻、原副繞組耦合電容等等都有影響。平面繞組非常容易制作，而且平面的繞組有著更加一致的參數(shù)，可以適用于各個領(lǐng)域的多層印刷版技術(shù)制造，另外也能夠與變壓器原副邊繞組的曾建交替技術(shù)和匝間換位技術(shù)之間互相應(yīng)用。

2.3集成化

集成化是磁件的一個整體發(fā)展趨勢，在誕生以來就一直在不斷地進步和發(fā)展，整體的發(fā)展速度也非常的快。我們現(xiàn)在所說的集成化有兩個方面的含義，其中之一是通過將多個磁性元件集成在一個鐵芯結(jié)構(gòu)上，然后通過每個磁性元件在鐵芯上不同位置的不同電壓電流以及磁通磁勢，來實現(xiàn)對于磁件的集成，進一步的實現(xiàn)體積的減少，已達到整體損耗的降低?，F(xiàn)實中的運用就是將多個電感器放置在鐵芯上，變壓器和電感器集成在同一個鐵芯結(jié)構(gòu)上。另一種運用則是將磁性元件與線路板結(jié)合，這種情況一般就要采用厚膜技術(shù)來進行實現(xiàn)，通過厚膜技術(shù)能夠?qū)⒋判竞屠@組制造在硅片上達到集成的效果。

磁性元件的集成對于功率提升有很大的促進作用，能夠有效地提升整體電路的性能，但是電感數(shù)量的增長有一個負面的缺點就是會帶來磁件數(shù)量的增加，也增加了相應(yīng)的體積，從而帶來了更多的損耗，這時候通過集成的技術(shù)就可以解決。集成雖然在電路拓撲上增加了更多的磁元件，但是對于整體的體積沒有很大的改變，也就能夠不再增加磁件的損耗。所以，只要能夠在電路拓撲方案中更好的結(jié)合磁件的集成結(jié)構(gòu)方案，就能夠更好地提高整體的性能又不增加其中的損耗，達到一種磁件結(jié)構(gòu)與電路結(jié)構(gòu)的最佳方案，更好地促進電力電子高頻磁技術(shù)的發(fā)展。

2.4陣列化

陣列化磁件即通過陣列化將大塊的磁件結(jié)構(gòu)進行離散，通過離散讓大塊的磁件結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)分布式陣列布置，形成一層磁結(jié)構(gòu)層，最終打破原始的此件傳統(tǒng)塊狀結(jié)構(gòu)方式。而且這樣能夠有效的促進磁結(jié)構(gòu)與線路板等不同的器件進行配合，更好地實現(xiàn)彼此之間的集成。上文有提到，磁件結(jié)構(gòu)中的鐵芯和繞組蘇浩如果過于集中將會出現(xiàn)劇烈的高溫從而帶來各種損耗，所以通過陣列化能夠更好地解決這一問題，讓塊狀結(jié)構(gòu)進一步離散，降低可能出現(xiàn)的集中發(fā)熱，打破傳統(tǒng)塊狀磁結(jié)構(gòu)的發(fā)熱特點，全面的擴大散熱的面積，陣列化的磁結(jié)構(gòu)能夠更加均勻的將熱量進行分布，讓熱量不再集中，散熱變得更加的快，均勻了工作過程中產(chǎn)生的熱能，提高了整個電路的功率密度。

陣列化的特點就是增加了磁件結(jié)構(gòu)的整體面積，讓此件變成更加平面化的磁層，與上文所提到的平面化有異曲同工的用意。更為扁平的磁層能夠更好地滿足各種外形高度的要求，更加適用于不同的變壓器，與變壓器的結(jié)構(gòu)配合得更加貼合。

2.5混合化

混合化就是采用高密度功率變換模塊，實現(xiàn)各種元件都能夠高度集成封裝，從而實現(xiàn)功率密度的全面提升。這樣的高度集成就是讓所有的磁元件能夠更加靠近，距離得到有效縮短，從而減少高頻電路分布參數(shù)帶來的影響，進一步減小能量的循環(huán)，達到效率的提高。模塊的體積也會隨著高度集成封裝減小，對模塊的整體可靠性和效率卻有很大的幫助和提升。常見的磁件混合化就包括此件和其他電路器件的集成連線，比如通過電感器箔形繞組的層間分布電容來實現(xiàn)混合化的LC濾波器，這就是一種混合化磁元件的整體利用?；旌匣娜秉c就是整體設(shè)計和制造的工藝比較復(fù)雜，需要更多的投入相關(guān)的研究，并進一步提升相應(yīng)的技術(shù)。

3結(jié)束語

磁性元件的研究和分析是電力電子高頻磁技術(shù)中新的一個重點發(fā)展趨勢，要想進一步的提高電力電子高頻磁技術(shù)水平，就需要對磁性元件進行技術(shù)的提升，更好地讓磁性元件與電力電子器件相結(jié)合。兩個領(lǐng)域共同的促進發(fā)展才能夠真正推動電力電子高頻磁技術(shù)的進步和發(fā)展。同時也要更加關(guān)注于發(fā)展過程中的每個領(lǐng)域的技術(shù)突破，通過將每個領(lǐng)域都更加的深入研究和進一步發(fā)展來推動整個高頻磁技術(shù)的發(fā)展。