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储能系统技术 DC-DC变换器 ★ 5.0

用于>5 V-1 V集成电压调节器的低损耗FeSi-FeNi电感器磁芯

Low-Loss FeSi-FeNi Inductor Cores for > 5 V-1 V Integrated Voltage Regulators

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中文摘要

摘要:现代电力传输网络采用基于降压型的直流 - 直流转换器,其中电感器用于能量存储并维持流向负载的连续电流。虽然电感器设计能在一定程度上满足不断增长的电力需求,但要实现高转换比集成电压调节器(IVR),最终需要具有低损耗和高频稳定性的新型磁性材料。在本研究中,我们分析了由铁硅(FeSi)和铁镍(FeNi)金属合金制成的软磁复合材料(SMC)在零直流偏置下的小信号和大信号损耗,以及大信号直流偏置情况(同时进行原位温度监测)。研究结果与材料特性相关联,如填料形态、表面堆积情况和直流电阻率等。将与基于降压型 IVR 中电感器性能相关的损耗指标(r<sub xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink">acx</sub> 和 R<sub xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink">acx</sub>)、饱和磁能密度以及铁硅 - 铁镍磁芯的磁导率与用于电力传输的工业级磁芯进行了对比评估。

English Abstract

Modern power delivery networks use buck-based DC-DC converters where inductors are used in energy storage and in maintaining continuous current to the load. While inductor design can partially address the rising power demands, enabling high conversion ratio integrated voltage regulators (IVRs) ultimately require novel magnetic materials with low loss and high frequency stability. In this work, we analyze soft magnetic composites (SMCs) made from FeSi and FeNi metal alloys for small signal and large signal losses at 0 DC, and large signal DC biasing (with in-situ temperature monitoring). The results are correlated with material properties such as filler morphology, surface packing, and DC resistivity. Loss metrics (racx and Racx) pertaining to inductors’ performance in buck-based IVRs, saturation magnetic energy density, and permeability of FeSi-FeNi cores are benchmarked with industry-grade magnetic cores used for power delivery.
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SunView 深度解读

从阳光电源的业务视角来看,这项FeSi-FeNi软磁复合材料(SMC)的研究对我们的核心产品线具有重要的技术参考价值。该研究针对高转换比集成电压调节器(IVR)开发的低损耗电感磁芯技术,与我们在光伏逆变器和储能变流器中广泛应用的DC-DC转换拓扑存在技术关联性。

在光伏逆变器领域,特别是组串式和户用逆变器产品中,MPPT电路的DC-DC转换效率直接影响系统发电量。该研究提出的FeSi-FeNi复合磁芯在高频条件下展现的低损耗特性(通过racx和Racx指标量化),若能应用于我们的电感设计,有望在保持高功率密度的同时进一步降低磁性元件损耗,这对提升逆变器满载和轻载效率曲线都有积极意义。

对于储能系统PCS产品,大转换比和直流偏置工作条件是常态。论文中对DC偏置条件下的大信号损耗分析及原位温度监测方法,为我们评估磁芯在实际工况下的热管理性能提供了新思路。特别是在液冷或风冷散热设计中,准确预测磁性元件的温升对系统可靠性至关重要。

然而需要注意的是,该研究聚焦于集成电压调节器这一微型化应用场景,其材料配方和制造工艺能否规模化生产并适配我们千瓦级至兆瓦级功率等级的产品,仍需验证。此外,软磁复合材料的成本、长期稳定性以及在宽温度范围(-40℃至85℃)下的性能一致性,都是工程化应用需要重点评估的因素。建议跟踪该技术在大功率电力电子领域的演进,适时开展材料性能测试与应用可行性研究。