非晶納米晶材料如何實現(xiàn)高低溫衰減≤12%
2025-04-07 13:35:16 來源:電子變壓器與電感網(wǎng) 作者:周執(zhí)
十五年前,600V 的系統(tǒng)電壓是組件的主流產(chǎn)品。五年前至今,1500V 的系統(tǒng)電壓成為了儲能產(chǎn)業(yè)的系統(tǒng)電壓標(biāo)準(zhǔn)。陽光電源、上能電氣、華為等企業(yè)已經(jīng)相繼布局1500V高壓儲能系統(tǒng),并且延續(xù)向更高壓(如2000V)演進的態(tài)勢。
如何提高儲能銷量、確保儲能的安全性和可靠性是當(dāng)前儲能產(chǎn)業(yè)鏈企業(yè)面臨的重要問題。就材料選型而言,需要選擇耐高壓、低損耗、高可靠性、高飽和磁感應(yīng)強度的材料。
對此,Big-Bit資訊《磁性元件與電源》特邀安陽佳友非晶非晶科技有限公司(下稱“佳友非晶”)的銷售經(jīng)理郭振偉,闡述在1500V及更高壓儲能系統(tǒng)下,對非晶納米晶材料提出的技術(shù)要求、趨勢以及佳友非晶在非晶納米晶材料方面做出的行業(yè)范例。
儲能集裝箱 圖源:包圖網(wǎng)
一、非晶納米晶材料在儲能領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀及難點
在高壓儲能領(lǐng)域,行業(yè)內(nèi)使用軟磁鐵氧體和金屬軟磁粉芯比較多,但鐵氧體的飽和磁感應(yīng)強度(Bs)僅0.4-0.5T,且溫度穩(wěn)定性差,在80℃以上時Bs值衰減超過30%,導(dǎo)致高溫工況下儲能器件體積需額外增大40%以上。金屬軟磁粉芯材料高頻損耗較大,且鐵芯繞線時容易碎裂。
而非晶納米晶材料在高頻低損耗、高功率密度(Bs高)、寬溫域等方面具有顯著優(yōu)勢,逐漸成為高壓儲能領(lǐng)域的新興材料。非晶納米晶材料在儲能領(lǐng)域的應(yīng)用集中于電力電子轉(zhuǎn)換的核心環(huán)節(jié),主要包括:
一是DC-DC 變換器的濾波電感與共模電感:用于抑制高頻噪聲,提升系統(tǒng)穩(wěn)定性;
二是LLC 電路變壓器 / 電感:通過高飽和磁感應(yīng)強度(Bs)和低損耗特性,優(yōu)化能量傳輸效率;
三是輸入輸出端電感:在高壓化趨勢下,需承受更大電流應(yīng)力,非晶納米晶材料的抗飽和能力顯著優(yōu)于傳統(tǒng)材料。
然而,非晶納米晶材料在儲能領(lǐng)域的規(guī)模化應(yīng)用仍存在多維度挑戰(zhàn),主要體現(xiàn)在:
在高頻損耗與熱管理方面,高壓化導(dǎo)致開關(guān)頻率提升,材料需在高頻下保持低損耗,避免過熱失效。
在抗飽和與環(huán)境穩(wěn)定性方面,大功率場景下,非晶納米晶材料易因不平衡電流進入飽和狀態(tài),需兼顧高 Bs 與抗直流偏置能力。
在環(huán)境適應(yīng)性方面,需通過鹽霧腐蝕、溫濕度循環(huán)(-40℃~+85℃,濕度 95% RH)等測試,確保非晶納米晶材料在復(fù)雜工況下長期穩(wěn)定運行。
在異形結(jié)構(gòu)適配方面,儲能模塊小型化要求磁芯結(jié)構(gòu)多樣化(如E-I 型、階梯式或組合型),非晶納米晶材料難以滿足復(fù)雜結(jié)構(gòu)需求。
在與新型器件的協(xié)同優(yōu)化方面,SiC/GaN 器件開關(guān)速度達 100V/ns,需材料高頻響應(yīng)能力(截止頻率 > 1MHz)與之匹配。非晶納米晶材料的高電阻率(1.2μΩ?cm)可有效降低渦流損耗。
“實際上,非晶納米晶材料現(xiàn)在在很多場景的性能都是有冗余的,相較于性能能做得多么好,我們目前更關(guān)注如何提高非晶納米晶材料穩(wěn)定性,降低客戶的生產(chǎn)成本。我們的優(yōu)勢是在高磁導(dǎo)率狀態(tài)下,依然保持良好的溫度穩(wěn)定性,并且繞線后的性能衰減明顯更小”郭振偉表示。
相比于非晶納米晶材料本身的限制,非晶納米晶行業(yè)目前的主要痛點在于:非晶納米晶材料的標(biāo)準(zhǔn)化難度較大,且客戶對非晶納米晶材料的了解有限,許多仿真軟件中甚至未包含非晶納米晶材料的選項。并且在設(shè)計端印象中非晶納米晶材料價格比較高,設(shè)計的時候不會考慮。
實際上,盡管非晶納米晶材料的初始成本相對較高,但由于其能夠有效減少元件體積、降低銅線用量,并減少散熱處理成本,綜合來看非晶納米晶材料成本可能更具優(yōu)勢。
他補充道:“因此,相較于單純追求性能的極致提升,當(dāng)前我們的戰(zhàn)略更傾向于拓寬非晶納米晶材料的應(yīng)用范圍,提高非晶納米晶材料的穩(wěn)定性,使其適用于更多場景,從而更好的發(fā)揮非晶納米晶材料的優(yōu)勢,為客戶解決設(shè)計上的實際問題。”
二、雙低納米晶儲能解決方案
佳友非晶作為一家專業(yè)生產(chǎn)非晶納米晶磁芯的企業(yè),儲能一直是其重點關(guān)注市場。在高壓儲能領(lǐng)域,佳友非晶的非晶納米晶產(chǎn)品主要應(yīng)用在以下幾個部位:
1.高頻LLC電感:軟磁材料Bs(飽和磁感應(yīng)強度)越高,磁芯抗飽和能力越強;Hc(矯頑力)越低,磁滯損耗越小。納米晶環(huán)形磁芯(Bs=1.2T@25℃/1kHz)較Mn-Zn鐵氧體(Bs=0.4T)提升3倍,配合低矯頑力(Hc<0.5A/m),在 100kHz/0.2T工況下鐵損低于50kW/m³,實現(xiàn)體積減少40%、效率提升2.3%以上。通過環(huán)氧樹脂粉末靜電涂裝提升絕緣強度(耐壓>5kV),適配1500V高壓系統(tǒng)。
2.抗飽和濾波電感:針對高壓化趨勢,開發(fā) μ=<500低磁導(dǎo)率納米晶磁芯,通過恒溫、恒速度、恒張力退火工藝精準(zhǔn)調(diào)控磁導(dǎo)率,在 100A 直流偏置下電感量下降 < 10%,滿足并網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)對電流紋波的要求。
3.EMI濾波共模電感/線束磁環(huán):閉環(huán)磁芯結(jié)構(gòu)配合寬頻阻抗特性(10kHz-10MHz),有效濾除高頻噪聲,提升系統(tǒng)EMC性能。
針對前文提到的難題,佳友非晶有以下方案:
1、高頻低損耗磁環(huán)技術(shù)開發(fā)
采用0.018mm以下厚度的納米晶薄帶化設(shè)計,降低渦流損耗。同時通過精確退火,將晶粒尺寸控制在10~15nm,可使磁滯損耗降低20%左右。
2、熱管理與應(yīng)力穩(wěn)定性
雖然納米晶的居里溫度比較高(550℃以上),但目前的納米晶磁環(huán)125℃以上時普遍會有20%左右的磁導(dǎo)率衰減,超過了材料本身磁導(dǎo)率溫度衰減(125℃衰減6%左右)。
郭振偉提到:“我們認(rèn)為原因是非晶行業(yè)一般使用樹脂浸泡烘干的方式固化磁環(huán),磁環(huán)本身和疊片間隙中固化液、空氣的熱膨脹系數(shù)不同,導(dǎo)致磁環(huán)受內(nèi)應(yīng)力影響。”
對此,佳友非晶自研調(diào)配出復(fù)合配方的固化液,通過添加復(fù)合填料降低固化液CTE,保持與磁環(huán)的熱膨脹系數(shù)接近,目前可以實現(xiàn)125℃情況下,電感衰減≤12%,同時大幅減少了磁環(huán)繞線后的感量衰減情況。
3、耐高壓與環(huán)境穩(wěn)定性
傳統(tǒng)的非晶、納米晶磁環(huán)一般需要加外殼、噴漆或者是環(huán)氧樹脂粉末靜電噴涂來保護磁環(huán)和提供絕緣強度,近年來因為小型化、集成化的問題,裝盒的占比減少。而噴漆會有環(huán)保的問題,所以噴涂的占比越來越高。
佳友非晶開創(chuàng)性的使用了高分子鍍膜方式代替?zhèn)鹘y(tǒng)的噴漆和噴涂,在涂層厚度不超過0.1mm的情況下可達到6kV以上耐壓,并且膜層的環(huán)境適應(yīng)性更強,已通過鹽霧腐蝕(ISO 9227)、溫濕度循環(huán)(-40℃~+85℃,濕度 95% RH)等測試,可確保磁環(huán)在復(fù)雜工況下長期穩(wěn)定運行。
從左到右依次是:未處理過磁環(huán)、鍍膜后磁環(huán)、裝外殼磁環(huán)
三、高低溫下感量變化≤12%,佳友非晶如何應(yīng)對高壓高頻挑戰(zhàn)
在高電壓趨勢下,儲能領(lǐng)域?qū)Ψ蔷Ъ{米晶的需求呈現(xiàn)出以下三種趨勢:
一是高頻化與小型化:隨著SiC/GaN器件的普及,儲能系統(tǒng)工作頻率提升至MHz級別,要求材料具備更低損耗和更高磁導(dǎo)率。同時要配合元件集成的要求,縮小磁環(huán)體積。
二是低成本化:隨著規(guī)模化應(yīng)用,對磁元件和磁環(huán)廠家的成本控制要求也更嚴(yán)格。
三是環(huán)境穩(wěn)定性:極端環(huán)境下磁導(dǎo)率波動需控制在±20%以內(nèi);需要通過鹽霧試驗。
目前,儲能系統(tǒng)正朝高壓化趨勢發(fā)展(如2000V系統(tǒng)),這對非晶納米晶材料提出了新要求。
首先,2000V系統(tǒng)對磁芯絕緣層的耐壓要求顯著提升,2000V系統(tǒng)磁芯絕緣需通過6kV/1min工頻耐壓測試,并且需要通過濕熱循環(huán)測試(85℃/85% RH,持續(xù)1000小時)。
其次,由于2000V系統(tǒng)母線電流可高達數(shù)百安培,材料的抗飽和能力也需要進一步強化,并且要求具備低磁致伸縮系數(shù)(小于2ppm),以有效減少振動和噪聲。
此外,磁環(huán)的形狀不再局限于傳統(tǒng)的環(huán)形,還需要滿足更多樣化的適配性要求。
針對上述趨勢,佳友非晶非晶通過材料創(chuàng)新、工藝革新及產(chǎn)業(yè)協(xié)同等方式,全面布局應(yīng)對儲能高壓化、高頻化挑戰(zhàn)。
在材料創(chuàng)新方面,公司正著手開發(fā)適用于3MHz以上高頻場景的超低損耗納米晶材料,同時持續(xù)改良工藝,推動國內(nèi)納米晶磁環(huán)的高溫穩(wěn)定性達到國際先進水平,并規(guī)劃探索下一代復(fù)合磁材技術(shù),包括探索Fe-Co基非晶/納米晶復(fù)合材料(Bs>1.6T)、石墨烯復(fù)合技術(shù)以及其他軟磁材料復(fù)合技術(shù)等。
在工藝革新上,引入磁性能預(yù)測模型,優(yōu)化退火工藝參數(shù),有效縮短研發(fā)周期。
此外,在標(biāo)準(zhǔn)化與生態(tài)協(xié)同方面,聯(lián)合頭部企業(yè)制定高壓儲能磁芯的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn),涵蓋耐壓等級、高頻損耗測試方法等,并與半導(dǎo)體廠商聯(lián)合開發(fā)高頻磁-電協(xié)同設(shè)計方案,以提升系統(tǒng)能效。
結(jié)語
建設(shè)儲能系統(tǒng)不僅可以實現(xiàn)峰谷套利,還能有效平抑電網(wǎng)供需波動,該市場已成為眾多資本競相布局的熱點領(lǐng)域。而佳友非晶非晶的技術(shù)布局不僅著眼于滿足當(dāng)前市場需求,更致力于通過3-5年的前瞻性研發(fā),為行業(yè)未來發(fā)展提供堅實支撐。
展望未來,具備高頻低損耗、耐高壓、高穩(wěn)定性以及低成本特性的非晶納米晶材料企業(yè),有望在市場競爭中脫穎而出,贏得更多發(fā)展機遇。
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