Использование и применение нанокристаллических сердечников в силовой электронике

Что такое нанокристаллическое ядро?

Нанокристаллическое ядро — это магнитомягкий компонент, изготовленный из сплава на основе железа-, который сначала отливается в виде аморфной ленты путем быстрого затвердевания, а затем подвергается отжигу для образования мелкокристаллической структуры с размером зерен примерно от 10 до 30 нанометров. Полученный материал сочетает в себе высокую насыщенность кристаллических сплавов с низкими потерями аморфных сплавов, что делает его одним из наиболее эффективных магнитомягких материалов, доступных для средне- и высоко-частотной силовой электроники.

Ключевые магнитные свойства

Высокая проницаемость: начальная проницаемость обычно находится в диапазоне десятков тысяч, что обеспечивает малый ток намагничивания и компактную конструкцию обмотки.

Высокая индукция насыщения: около 1.2 - 1.25 Т, значительно выше феррита, поэтому меньшее сечение-может передавать тот же поток.

Низкие потери в сердечнике: потери на гистерезис и вихревые токи намного ниже, чем в кремнистой стали на частотах выше 1 кГц, что повышает эффективность и снижает выделение тепла.

Высокая температура Кюри: выше 500 градусов для типичных марок на основе железа-, поэтому магнитные характеристики стабильны во всем рабочем диапазоне силовой электроники.

Низкая коэрцитивность: сердечник легко намагничивается и размагничивается, снижая мощность привода и искажения.

Основные приложения

Нанокристаллические ядра появляются везде, где имеют значение размер, эффективность и низкий уровень помех:

Синфазные-дроссели и фильтры ЭМС: высокий импеданс в широком диапазоне частот подавляет кондуктивные электромагнитные помехи в импульсных-источниках питания, инверторах и электроприводах.

Трансформаторы импульсного-питания: работа на 10 - 100 кГц с низкими потерями обеспечивает более высокую плотность мощности.

Трансформаторы тока и измерительные обмотки: высокая проницаемость обеспечивает точное соотношение и низкую фазовую погрешность.

Солнечные инверторы и преобразователи частоты: низкие потери в сердечнике повышают эффективность преобразования при высокочастотном переключении-.

Магнитные усилители и насыщающиеся реакторы: четкая характеристика насыщения подходит для схем регулирования.

Сравнение с сердечниками из ферритовой и кремниевой стали

Свойство	Нанокристаллический	Феррит	Зернистая-ориентированная кремниевая сталь
Индукция насыщения	~1.2 - 1.25 T	~0.4 - 0.5 T	~1.7 - 2.0 T
Полезная частота	1 кГц - 100 МГц	Диапазон 10 кГц - МГц	50 - 400 Гц
Потери в сердечнике на высокой частоте	Низкий	Низкий	Высокий
Температурная стабильность	Высокий (Кюри выше 500 градусов)	Ограничено (Кюри около 150 - 250 градуса)	Высокий
Относительный размер при той же индуктивности	Маленький	Больше	Большой

Тороидальная форма и конструктивные особенности

Большинство нанокристаллических сердечников поставляются в виде тороидов, намотанных из ленты и покрытых изолирующим слоем. Замкнутый магнитный путь обеспечивает низкую индуктивность рассеяния, низкий уровень излучаемых электромагнитных помех и эффективное использование потока. При проектировании с этими сердечниками обратите внимание на запас насыщения при смещении постоянного тока, рабочую частоту (потери на вихревые токи резко возрастают выше примерно 100 кГц) и условия отжига, которые определяют класс проницаемости и форму петли B-H.

Распространенные заблуждения

Нанокристаллические сердечники не являются ферритом; они представляют собой сердечники из сплава-на основе железа, и их не следует выбирать на основе данных о потерях в феррите.

Проницаемость не является постоянной величиной: она зависит от уровня и частоты приложенного поля, поэтому в проектных расчетах следует использовать эффективную проницаемость в фактической рабочей точке.

Часто задаваемые вопросы

Почему в синфазных дросселях используются-нанокристаллические сердечники?

Их высокая проницаемость в широком диапазоне частот обеспечивает высокий общий-импеданс при меньшем количестве витков, что снижает емкость обмотки и улучшает затухание высоких-частот в фильтрах ЭМС.

Может ли нанокристаллическая сталь заменить кремниевую сталь в трансформаторе 50 Гц?

Это возможно, и это значительно снижает-потери нагрузки, но кремниевая сталь остается более экономичной-эффективной на линейной частоте для мощных трансформаторов; нанокристаллические материалы предпочтительнее там, где важен размер или высокая-частотная работа.

Какова типичная плотность потока насыщения?

Около 1.2 - 1.25 T для стандартных марок на основе железа-при комнатной температуре, что примерно в три раза выше, чем у феррита, и позволяет использовать гораздо меньшее поперечное сечение сердечника-при той же мощности.

Как производятся нанокристаллические ядра?

Расплавленный сплав закаливается на вращающемся колесе с образованием аморфной ленты, наматывается до необходимой формы и отжигается в магнитном поле или без него для осаждения нанокристаллических зерен и установления желаемой проницаемости и потерь.

Что больше всего влияет на потери в сердечнике на высокой частоте?

Вихревые токи. Потери на вихревые токи выше 100 кГц быстро растут с частотой, поэтому толщина ленты, изолирующее покрытие между слоями и магнитные свойства при отжиге должны быть оптимизированы вместе.