采用永磁体预偏磁的高频功率电感设计方案
0引言
随着功率变换器小型化、高频化趋势的不断发展，电功率密度越来越高，对电气元件尤其是磁性元器件的设计要求也越来越高。各种电路拓扑，包括存在较大直流偏磁器件的电路拓扑结构，如Boost型PFC电路、Buck、Boost等电路都得到了广泛的研究。虽然已经认识到了磁性元件对这类电路拓扑的重要性，但还主要是在整机系统层面的研究，对磁件本身的研究相对较少【】】。一些文献中也提到了存在较大直流偏磁的功率磁件会对电路整体性能及体积、重量有很大影响，并从多方面包括应用磁集成等技术做了研究【8】，但对于单颗磁件本身的研究很少I】川，使得对电路的性能改进与提升还有很大的发展空间。因此，如何提高直流电感的饱和特性，减小这类磁件的体积、重量，并同时提高功率密度成为磁性元件的一个重要发展方向。一方面可以从磁性材料本身考虑，目前高饱和的铁氧体磁心，如TDK的PC系列，虽然高频磁心损耗小，但饱和磁密也只能达到0．45T；对于高饱和合金磁粉心，如高通磁粉心等，虽然饱和磁通密度能达到1．5T，但受磁粉心涡流损耗的限制，很难在较高频率的情况下得到应用；非晶等金属薄带材料磁心，饱和磁密能达到1．8T，但一般只是在几十kHz的频率下应用，因此另一方面则考虑采用永磁材料引入反向预偏磁，来提高电感的直流载流能力。最直接的办法就是在电感磁路的气隙中引入永磁体lJ1-15]，但永磁体的偏磁能力受到气隙尺寸的限制，如果将永磁体布置于气隙的附近[16-20]，由于缺少对磁路磁阻参数范围的限定，将使得偏磁效果差。为了克服永磁体的涡流损耗问题，可以选用铁氧体永磁材料_l，或开发电阻率较高的合金永磁颗粒粘结型SmCo系或粘结型钕铁硼系永磁体[11-16,18-21】，这类永磁体虽然电阻率较高、涡流小，但受材料工艺限制，剩磁研和矫顽力都很小，偏磁效果差且容易退磁，温度特性也不好，仅在小功率电感上有所应用，在大功率电感上基本失去实际应用价值。采用烧结型钕铁硼永磁材料，和都很大、抗退磁能力强、温度特性好，但电阻率小，在交流磁通作用下涡流损耗大，无法实际应用。