日本将推进开发的软磁材料

发布时间：2013/9/4 0:12:36

电力电子器件（Power Electronic Device）是用来对空调、光伏发电系统及纯电动汽车等多种设备进行功率控制的产品。在其小型化和高效率化中担负重任的是功率半导体。现在，功率半导体除了广泛使用的硅（Si）半导体（FET和二极管）外，还有由SiC（碳化硅）和GaN（氮化镓）制成的半导体。实际上，磁性材料对于电力电子器件的小型化和高效化也同样重要。下面主要介绍两个日本政府项目正在推进研发的软磁材料。 

　　软磁材料（soft magnetic material）多用于线圈的铁芯和磁屏，可以说是变压器、模拟滤波器及马达不可或缺的磁性材料。主要原料是硅钢及铁镍合金等铁合金（图1）。 

　　硬磁材料（hard magnetic material）是在磁场中磁化后还能保留磁性的材料，而软磁材料在磁化后磁性容易消失。因稀土问题而备受关注的钕磁铁等永磁铁的原料是硬磁材料。而电磁铁的铁芯之所以能够在线圈中有电流流过时带磁性，而停止通电时磁性就消失，就是因为铁芯使用的是软磁材料。 

与半导体相比，磁性元件更是瓶颈

日本东京首都大学的教授清水敏久（研究生院理工学研究科电气电子工学专业）认为：“电力电子器件仅靠SiC和GaN无法进化”。清水教授介绍说，在过去40多年中，电力电子产品的功率密度一直是以每15年提高10倍的速度提高。但是，现在快要达到功率密度提高的技术极限了。 

　　这里所说的功率密度是指电力电子设备的输出功率除以其体积得到的数值。清水教授指出，尽管功率半导体的效率在逐年提高，SiC及GaN等新型半导体逐步投入使用，但仍有技术极限，这是因为“（其他部件的）体积占支配地位”。以输出功率为10kW的*新型电力电子设备（变频器）为例，在整个产品中，功率半导体的体积不超过15％，噪声滤波器和平滑电容器各占30％，高频变压器占25％。功率半导体以外的部件的发展才能有效提高产品的功率密度。 

　　鉴于这种情况，清水教授强调，今后要想提高电力电子设备的功率密度，关键是促进支持着功率半导体的受动元件的发展（图2）。他认为，受动元件中特别重要的是变压器和滤波器等磁性器件。 

　　旨在减少铁损的材料开发越来越活跃 

开发铁损低的软磁材料很有可能会促进磁性器件进化。当向变压器和滤波器的线圈中通入正弦波、矩形波或有电压变化的电流时，铁芯就会产生损耗，这就是铁损。铁损较大就会产生热量，为了散热，很难减小电子产品的尺寸，这阻碍了功率密度的提高。 

　　并且，为了实现控制电子设备功耗的变频器的高效率化和小型化而提高开关频率后，铁损就会增加。原因是，在构成铁损的磁滞损耗、涡流损耗和剩余损耗中，磁滞损耗跟频率成正比，涡流损耗跟频率的平方成正比（图3）。 

　　因此就需要开发在高频率下也难以产生铁损的软磁材料，因为“软磁材料降低铁损的余地很大”（清水）。但是，由于以前连软磁材料的评估方法都没有，因此始终未能对其进行优化。铁损会随着铁芯形状、流过线圈的电流波形、之前加载的电流和磁场以及结晶颗粒大小而改变。 

　　以前，旨在降低铁损的材料开发都是在材料厂商做过试验的条件下进行，今后将在实际使用条件下进行。日本政府主导的“东北地区材料技术*项目”和“高效马达用磁性材料技术研究组”这两个项目已于2012年开始研发软磁材料。销售材料磁性测量仪的日本岩通计测公司技术部的高野耕至主任表示，“*近软磁材料的研究越来越火热”，该公司于2013年8月推出了软磁材料磁性测量仪。