Нанокристаллические материалы сердечников для проектов современной силовой электроники

Д-р Мартин Ферч, MAGNETEC GmbH, Лангензельболд, Германия.

В последние годы так называемые нанокристаллические мягкие магнитные материалы получают все более широкое распространение в проектах современной силовой электроники. Наряду с неоспоримыми достоинствами данных материалов в части качества функционирования данному распространению способствует благоприятный уровень цен в сочетании с доступностью из нескольких источников в глобальном масштабе.

Характеристики и свойства

Нанокристаллический мягкий магнитный сплав Fe_73,5Cu₁Nb₃Si_15,5B₇ доступен на рынке в течение нескольких последних лет под торговой маркой FINEMET, VITROPERM или NANOPERM. Первоначально по очень простой, но инновационной технологии получают очень тонкую ленточную заготовку из экономичного исходного сырья, каковым являются кремний и железо. Конечным продуктом является материал нового поколения с экстраординарными свойствами мягкого магнитного материала. Впервые в истории обеспечено сочетание почти такого же сильного броска потока намагничивания, как у кремниевой стали, и таких же или еще более высоких характеристик функционирования в высокочастотной области, свойственных ферритам, как низкие потери и высокая магнитная проницаемость. Кроме того, новый сплав является намного более экономичным по сравнению с аморфными сплавами на основе кобальта, обладающими аналогичными характеристиками и имевшими эпохальное значение на рынке с конца 80-ых годов. С учетом высокой стоимости и ограничений по условиям окружающей среды, аморфные сплавы на основе кобальта выбираются в настоящее время только для специфических вариантов применения.

Материал	Состав сплава	Потери (20 кГц, 200 мТ) [Вт/кг]	Индукция насыщения B_sat [мТ]	Магнетострикция λ_S [10-6]	Магнитная проницаемость (на 50 Гц) μ₄ μ_max	Макс. рабочая температура (°C)
Текстурированная кремниевая сталь	Fe₉₇Si₃	> 1000	2000	9	2000 - 35000	Прибл. 120
Стандартный кристаллический permalloy I	Ni₄₅Fe₅₅	> 150	1550	25	12000 - 80000	130
Стандартный кристаллический permalloy II	Ni₅₄Fe₄₆	>100	1550	25	60000 - 125000	130
Усовершенствованная кремниевая сталь	Fe_93,5Si_6,5	40	1300	0,1	16000	130
Аморфный сплав на основе железа	Fe₇₆(Si,B)₂₄	18	1560	27	6500 - 8000	150
Высококачественный феррит	MnZn	17	500	21	1500 - 15000	100/120
Модернизированный кристаллический пермаллой	Ni₈₀Fe₂₀	>15	800	1	150000 - 300000	130
Аморфные сплавы "a" на основе кобальта	Co₇₃(Si,B)₂₇	5,0	550	<0,2	100000 - 150000	90/120
Аморфные сплавы "b" на основе кобальта	Co₇₇(Si,B)₂₃	5,5	820	<0,2	2000 - 4500	120
Аморфные сплавы "c" на основе кобальта	Co₈₀(Si,B)₂₀	6,5	1000	<0,2	1000 - 2500	120
Нанокристаллические сплавы I	FeCuNbSiB	4,0	1230	0,1	20000 - 200000	120/180
Нанокристаллические сплавы II	FeCuNbSiB	4,5	1350	2,3	20000 - 200000	120/180
Нанокристаллические сплавы III	FeCuNbSiB	8,0	1450	5,5	~ 100000	120/180

Высокотехнологичный процесс производства

На протяжении технологического процесса так называемой быстрой кристаллизации осуществляется распыление потока расплавленного металла с температурой примерно 1300oC через узкое керамическое сопло прямо на быстро вращающийся медный ролик с использованием водяного охлаждения. На скорости выше 100 км/час формируется непрерывная лента аморфного материала толщиной примерно 20 мкм. Иными словами, на одной технологической стадии в принципе может быть получена такая тонкая лента с помощью относительно компактной машины и без использования дорогостоящих технологических процессов холодной или горячей прокатки. После того, как из этих ленточных заготовок формирования наматываются тороиды, для них выполняется специальная процедура отжига под воздействием поперечного или продольного магнитного поля. На этой стадии необратимой тепловой обработки, на основе первоначально полученной аморфной структуры формируются сверхтонкие кристаллы с типовым размером гранулы порядка всего лишь 10 нм – именно поэтому материал именуется "нанокристаллическим". Точное управление изменениями параметров отжига позволяет в широких пределах регулировать требуемые свойства материала (в частности, форму петли гистерезиса и уровень магнитной проницаемости).

Преимущества и возможности применения

Одновременно, хорошее качество по доступной цене становится все более весомым показателем конкурентоспособности данных материалов в сравнении с ферритами и пермаллоями. Независимо от варианта применения, при использовании нанокристаллических сердечников при проектировании индуктивных компонентов обычно обеспечиваются следующие преимущества:

Существенное сокращение объема сборки (до трех раз и более)
Уменьшенный вес
Уменьшенные потери в меди благодаря сокращению числа витков
Расширенный температурный диапазон от -25°C до +120°C (в стандартном режиме) / 180°C (в специальном режиме)
Увеличенный запас прочности – повышенная стабильность функционирования — очень высокая прочность

В настоящее время силовая электроника развивается в сторону повышения частот и уменьшения габаритов, или повышения плотности рассеиваемой мощности. Влияние этих факторов привело в последние годы к появлению в силовой электронике широкого разнообразия прикладных систем и к непрерывному росту спроса на новые варианты применения. Разнообразные дроссели и трансформаторы используются в таких вариантах реализации, как:

Фильтры ЭМС/электромагнитных помех (EMC/EMI) для переключаемых источников питания (SMPS) и инверторных приводов
Импульсные источники питания
Источники питания для электрической сварки
Генераторы рентгеновского излучения
Зарядные устройства аккумуляторных батарей
Солнечные генераторы
Преобразователи тока (выпрямители или конвертеры DC/DC)
Источники питания для автомобильной техники (на напряжение 42 В)
Системы железнодорожного транспорта
Электронные измерители мощности (ватт-часов)
Прерыватели цепи короткого замыкания на землю

Одним из самых важных вариантов применения нового материала являются в настоящее время синфазные дроссели для фильтров электромагнитных помех (EMI) в конвертерах переключаемых источников питания любого вида (включая приводы с переменной скоростью). Достигается наиболее заметное сокращение объема сборки благодаря тому, что такие свойства данного материала, как магнитная проницаемость и бросок потока намагничивания, являются существенно более высокими, чем у ферритов, традиционно использовавшихся по данному назначению до настоящего времени.

Другими базовыми вариантами применения являются силовые трансформаторы в импульсных двухтактных источниках питания для диапазонов мощности от нескольких сотен ватт до нескольких сотен киловатт, подавители всплесков напряжения (молниеотводы), магнитные усилители, пусковые трансформаторы для IGBT-транзисторов, сердечники трансформаторов для независимых от электросети прерывателей цепи короткого замыкания на землю и трансформаторы тока в современных электронных измерителях мощности (ватт-часов). В ближайшем будущем ожидается существенное расширение областей применения новых материалов — в частности, в силовых преобразователях новых топологий и во вновь разрабатываемых системах автомобильного производства.

Существующий ассортимент изделий

Нанокристаллические сердечники выпускаются в виде ленточных сердечников, имеющих форму правильного или вытянутого тороида. Сам по себе материал является хрупким и требует защиты от механических воздействий, которая обеспечивается вставкой в пластиковую оболочку или нанесением термоустойчивого покрытия. При наличии оболочки или защитного покрытия сердечники являются исключительно надежными, и их основные магнитные свойства имеют высокую степень линейности и мало зависят от изменений температуры.

С одной стороны, ленточный материал ограничивает выбор физических форм сердечника, но при этом различные геометрические формы тороидального сердечника могут быть получены с низкими затратами на инструментальные средства. Габаритные размеры сердечников, выпускаемых в настоящее время, имеют разброс наружных диаметров от примерно 10 мм до 300 мм и более. В принципе, ожидается появление сердечников с воздушным зазором или разрезных сердечников, но эти варианты применения к настоящему времени не доведены до уровня рыночного стандарта.