[发明专利]一种光伏逆变器用磁性材料

说明书

技术领域

本发明涉及一种光伏逆变器用磁性材料及其制备方法。

背景技术

近年来，随着人们环保意识的增强，对于可再生能源的关注越来越多。在太阳能、风能、潮汐能等各类可再生能源中，太阳能成为了人们的首选。太阳能光伏发电系统是由太阳电池板、充电控制器、逆变器和蓄电池等共同组成。太阳能光伏发电系统中，光伏逆变器是整个太阳能系统的关键组件，是光伏系统的核心，太阳能是通过电池板转化产生电能的。但是，电池板所转化的电力是直流电，要真正成为多数场合可使用的交流电就少不了一个特殊的装备——逆变器，逆变器的功能是将直流电转换为交流电，光伏逆变器为光伏系统核心器件。逆变器性能的改进对于提高系统的可靠性、效率，提高系统的寿命、降低成本至关重要。

逆变电源按变换方式可分为工频变换和高频变换，但无论哪一种变换方式都需要使用磁性材料。在逆变器采用工频变压器的主电路中，起隔离及功率变换作用的电磁元件是工频变压器，由于工作频率较低，只有50或60Hz，磁性材料多数采用冷轧取向硅钢片叠装而成，因此，工频变压器体积大，重量重；在逆变器采用高频变压器绝缘的主电路中，起隔离及功率变换作用的电磁元件是高频变压器，早期电路工作频率在15～20KHz之间，由于冷轧取向硅钢片在此频率下功率损耗(简称功耗)过大，已不能使用，而采用铁硅铝磁粉心或MnZn软磁铁氧体等磁性材料制造成磁芯；但随着逆变器逆变技术正向着频率更高、功率更大、效率更高、体积更小的方向发展，电路工作频率不断提高，铁硅铝磁粉心的功耗随着工作频率的提高急剧增大而无法使用，在这种情况下只能采用MnZn铁氧体材料磁芯，这是由于MnZn铁氧体在高频下的具有较低的功耗，MnZn铁氧体材料另一个突出的优点是其成本要大大低于铁硅铝磁粉心。

由于光伏发电系统的特殊性，逆变器工作电路中直流叠加成分较多，同时工作磁场强度较大，因此并非普通的MnZn铁氧体材料磁芯都能满足要求。工作于光伏逆变器中的MnZn铁氧体材料磁芯必须具有较好的电磁性能，即高频低功耗，同时其直流叠加特性优良。

另外，对于1KW以上的大功率光伏发电系统，由于转换功率较大，往往需要使用大尺寸的MnZn铁氧体材料磁心，这些磁心的重量都在1Kg以上，甚至达到16Kg，由于工作在高频强场下，磁心温度较高，为保证逆变器安全可靠的工作，要求磁心具有较低的热膨胀系数，否则大尺寸的铁氧体磁心受热膨胀时很容易将绕组或骨架撑破，从而无法正常工作；另一个无法忽视的方面是，大尺寸的铁氧体磁心工作在高频强场下其磁致伸缩累积效应更明显，会大大影响逆变器工作的可靠性与稳定性，同时对周围的电器产生明显的电磁干扰，影响其它电子设备的正常工作。因此，要求铁氧体材料的磁致伸缩系数尽可能的低。

综上所述，用于光伏发电系统的MnZn铁氧体材料，必须同时具有以下两方面的特性：一方面是热膨胀系数以及磁致伸缩系数要尽可能的低，另一方面要求高频强场下功耗较低、直流叠加特性优良。这远远高于一般电子电路变压器(例如：开关电源变压器)和扼流圈对MnZn铁氧体材料磁芯的要求，这是由于一般电子电路变压器通常尺寸较小，转换功率较低，通常在几瓦到几百瓦之间，因此，一般电子电路变压器对MnZn铁氧体材料磁芯通常只有上述第二方面的要求。

人们在降低材料的功耗、改善直流叠加特性等方面做了大量的工作，在中国发明专利ZL 01112082.7中公布了通过控制P元素的含量，并改进烧结工艺，获得高频电源变压器用低功耗铁氧体材料的方法；

在中国发明专利ZL 00126316.1中公布了通过引入SiO₂、CaO、NiO以及ZrO₂等，从而获得了用于电源变压器的具有低功耗和高饱和磁通密度的铁氧体材料。

上述这些专利主要是为了降低开关电源变压器或者是扼流圈用MnZn铁氧体材料功耗并提高其饱和磁通密度，而对如何降低磁心热膨胀系数和磁致伸缩系数基本没有考虑，这是由于一般电子电路变压器通常尺寸较小，转换功率较低，通常在几瓦到几百瓦之间，因此，一般电子电路变压器对MnZn铁氧体材料磁芯的热膨胀系数和磁致伸缩系数通常不作考虑。