Современные магнитомягкие материалы для силовой электроники

В статье анализируется состояние рынка силовых ферритовых и порошковых материалов и приводятся электромагнитные параметры наиболее известных в России зарубежных марок. Приведённые в статье таблицы соответствия импортных материалов их отечественным аналогам облегчают разработку новых изделий. Рассматриваются преимущества использования порошковых материалов на основе сплава железа и алюминия.

Сейчас рынок силовой электроники России характеризуется устойчивым ростом. Развитие полупроводниковой базы предъявляет новые, всё более жёсткие требования к качеству магнитомягких материалов, используемых в силовых модулях. Длительное время отсутствие промышленного выпуска современных отечественных силовых материалов вынуждало разработчиков использовать для преобразователей энергии, выпускаемых в России, устаревшие материалы М2500НМС1 и М2500НМС2, а также материалы широкого назначения М1500НМ3, М2000НМ, М1000НН, что отрицательно сказывалось на эффективности работы силовых устройств.

В настоящее время на небольшом по размеру, но постоянно растущем рынке силовых ферритов представлен широкий ассортимент изделий как всемирно известных брэндов, так и малоизвестных даже у себя на родине китайских фирм.

К современным магнитным материалам можно отнести силовые ферриты с высоким значением индукции насыщения (до 0,5 Тл), предназначенные для работы в преобразователях с частотой до 1 МГц, а также магнитные материалы с экстремально высокой индукцией насыщения из порошковых материалов.

Ферритовые материалы

Эти материалы представлены большим числом конфигураций и выпускаются для мощностей от десятых долей ватта до нескольких киловатт.

Таблица 1. Параметры популярных марок силовых ферритов

*При температуре: 25°С/100°С

Электромагнитные параметры наиболее часто используемых марок силовых ферритов приведены в таблице 1. Материалы, предлагаемые зарубежными изготовителями, отличаются высоким потребительским качеством и значительно превосходят морально устаревшие отечественные марки М2500НМС1 и М2500НМС2 по электромагнитным параметрам (так, в контрольной точке на 100 кГц при 100°С и B= 0,2 Тл потери в марке N87 (Epcos) и 3С90 (Ferroxcube) составляют примерно 385 мВт/см³, что ориентировочно в 3,5 раза меньше, чем у М2500НМС1).

Характерной особенностью рынка отечественных силовых ферритовых материалов является отсутствие долговременного планирования у изготовителей силовой электроники, вынужденных, как правило, выполнять разовые заказы. Не многие изготовители силовой аппаратуры располагают перспективными производственными планами и, вследствие этого, готовы ожидать поставки требуемых сердечников более 2 месяцев, не говоря уже о проблемах, возникающих на стадии опытно конструкторских работ при получении опытных образцов и мелких серий. Достаточно жёсткая конкуренция на рынке не всегда позволяет изготовителям РЭА использовать лучшие по параметрам, но более дорогие сердечники.

В связи с этим наибольшую популярность у изготовителей РЭА и наибольший сегмент рынка в настоящее время смогла завоевать только фирма Epcos, предложившая не только оптимальное соотношение цена/качество но и создавшая развитые дистрибьюторские сети, позволяющие приобретать значительную часть требуемой продукции со складов в России.

Активную политику по продвижению своих материалов в России проводят также Acme (Тайвань), Cosmo (Индия), Yeng Tat (Тайвань), Samwha (Корея), Ferroxcube, однако их продвижение сдерживается небольшим объёмом и насыщенностью российского рынка.

Значительный сегмент рынка остаётся и у изготовителей отечественных материалов: ОАО «Ферроприбор» (Санкт-Петербург) и ЗАО НПФ «Феррокерам» (Украина) занимают нишу недорогих силовых типоразмеров, не имеющих точных зарубежных аналогов (например, Ш6x6, Ш4x8, ПК40x18).

Таблица 2. Сравнительные характеристики современных материалов Epcos

*При температуре: 25°С/100°С

Таблица 3. Аналоги ферритовых материалов

*Марка М2500НМС1 обладает ориентировочно на 25% большими потерями, чем М2500НМС2

В последнее время на российском рынке усиливается интерес и к новейшим маркам силовых материалов, аналогичным:

• N97 (Epcos), с уровнем потерь на 20% ниже, чем у базового материала N87
• N92 (Epcos), который насыщается при токе, на 20% большем, чем N87
• N49 (Epcos), позволяющий создавать преобразователи на частотах до 1 МГц.

Сравнительные характеристики этих марок и заменяющие их аналоги других изготовителей перечислены в таблицах 2 и 3.

Порошковые материалы

Традиционно российские разработчики могли использовать только сердечники на основе Мо-пермаллоя с проницаемостью от 14 до 250 и типоразмерным рядом от К7x4x3 до К52x36x14. Материалы, аналогичные High Flux и Kool Mμ (см. табл. 4), отсутствовали, т.к. отечественная промышленность их не выпускала. В настоящее время на рынке России представлена также продукция фирм Magnetics и Arnold (см. табл. 5).

Таблица 4. Материалы фирм High Flux и Kool Mμ

Таблица 5. Материалы фирм Magnetics и Arnold

Возможность использования сердечников из данных материалов с диаметром до 78 мм открывает новые возможности для создания мощных преобразователей. Наличие диэлектрического покрытия облегчает намотку и увеличивает долговечность изделий при эксплуатации в условиях неблагоприятной климатики.

Сердечники на основе Мо-пермаллоя характеризуются наименьшими потерями, идеальной временной и температурной стабильностью магнитной проницаемости, что делает их незаменимыми для создания высокостабильных прецизионных катушек индуктивности. Однако достаточно высокая стоимость, вызванная высоким содержанием никеля, не всегда позволяет использовать их в массовых изделиях.

С этой точки зрения особый интерес для использования в изделиях силовой электроники представляют недорогие материалы типа Kool Mμ (Sendust), представляющие собой сплав железа с алюминием.

По экономическим показателям средняя цена 1 кг ферритовых изделий в мощных преобразователях составляет около 10 долларов, сердечников на основе Мо-пермаллоя — 80 долларов, а сендастовых сердечников Kool Mμ — 30 долларов.

Наличие типоразмеров большого диаметра, относительно низкие потери в сочетании с большой величиной индукции насыщения и, что немаловажно, доступные цены делают магнитопроводы из материала Kool Mμ перспективными для применений в моточных изделиях для силовых преобразователей энергии.