日本政府推進(jìn)開發(fā)軟磁材料 可用于純EV

電力電子器件（Power Electronic Device）是用來對空調(diào)、光伏發(fā)電系統(tǒng)及純電動汽車等多種設(shè)備進(jìn)行功率控制的產(chǎn)品。在其小型化和高效率化中擔(dān)負(fù)重任的是功率半導(dǎo)體?，F(xiàn)在，功率半導(dǎo)體除了廣泛使用的硅（Si）半導(dǎo)體（FET和二極管）外，還有由SiC（碳化硅）和GaN（氮化鎵）制成的半導(dǎo)體。實際上，磁性材料對于電力電子器件的小型化和高效化也同樣重要。下面主要介紹兩個日本政府項目正在推進(jìn)研發(fā)的軟磁材料。

軟磁材料（soft magnetic material）多用于線圈的鐵芯和磁屏，可以說是變壓器、模擬濾波器及馬達(dá)不可或缺的磁性材料。主要原料是硅鋼及鐵鎳合金等鐵合金（圖1）。

硬磁材料（hard magnetic material）是在磁場中磁化后還能保留磁性的材料，而軟磁材料在磁化后磁性容易消失。因稀土問題而備受關(guān)注的釹磁鐵等永磁鐵的原料是硬磁材料。而電磁鐵的鐵芯之所以能夠在線圈中有電流流過時帶磁性，而停止通電時磁性就消失，就是因為鐵芯使用的是軟磁材料。

與半導(dǎo)體相比，磁性元件更是瓶頸

日本東京首都大學(xué)的教授清水敏久（研究生院理工學(xué)研究科電氣電子工學(xué)專業(yè)）認(rèn)為：“電力電子器件僅靠SiC和GaN無法進(jìn)化”。清水教授介紹說，在過去40多年中，電力電子產(chǎn)品的功率密度一直是以每15年提高10倍的速度提高。但是，現(xiàn)在快要達(dá)到功率密度提高的技術(shù)極限了。

這里所說的功率密度是指電力電子設(shè)備的輸出功率除以其體積得到的數(shù)值。清水教授指出，盡管功率半導(dǎo)體的效率在逐年提高，SiC及GaN等新型半導(dǎo)體逐步投入使用，但仍有技術(shù)極限，這是因為“（其他部件的）體積占支配地位”。以輸出功率為10kW的最新型電力電子設(shè)備（變頻器）為例，在整個產(chǎn)品中，功率半導(dǎo)體的體積不超過15％，噪聲濾波器和平滑電容器各占30％，高頻變壓器占25％。功率半導(dǎo)體以外的部件的發(fā)展才能有效提高產(chǎn)品的功率密度。

鑒于這種情況，清水教授強調(diào)，今后要想提高電力電子設(shè)備的功率密度，關(guān)鍵是促進(jìn)支持著功率半導(dǎo)體的受動元件的發(fā)展（圖2）。他認(rèn)為，受動元件中特別重要的是變壓器和濾波器等磁性器件。

旨在減少鐵損的材料開發(fā)越來越活躍

開發(fā)鐵損低的軟磁材料很有可能會促進(jìn)磁性器件進(jìn)化。當(dāng)向變壓器和濾波器的線圈中通入正弦波、矩形波或有電壓變化的電流時，鐵芯就會產(chǎn)生損耗，這就是鐵損。鐵損較大就會產(chǎn)生熱量，為了散熱，很難減小電子產(chǎn)品的尺寸，這阻礙了功率密度的提高。

并且，為了實現(xiàn)控制電子設(shè)備功耗的變頻器的高效率化和小型化而提高開關(guān)頻率后，鐵損就會增加。原因是，在構(gòu)成鐵損的磁滯損耗、渦流損耗和剩余損耗中，磁滯損耗跟頻率成正比，渦流損耗跟頻率的平方成正比（圖3）。

因此就需要開發(fā)在高頻率下也難以產(chǎn)生鐵損的軟磁材料，因為“軟磁材料降低鐵損的余地很大”（清水）。但是，由于以前連軟磁材料的評估方法都沒有，因此始終未能對其進(jìn)行優(yōu)化。鐵損會隨著鐵芯形狀、流過線圈的電流波形、之前加載的電流和磁場以及結(jié)晶顆粒大小而改變。

以前，旨在降低鐵損的材料開發(fā)都是在材料廠商做過試驗的條件下進(jìn)行，今后將在實際使用條件下進(jìn)行。日本政府主導(dǎo)的“東北地區(qū)材料技術(shù)領(lǐng)先項目”和“高效馬達(dá)用磁性材料技術(shù)研究組”這兩個項目已于2012年開始研發(fā)軟磁材料。銷售材料磁性測量儀的日本巖通計測公司技術(shù)部的高野耕至主任表示，“最近軟磁材料的研究越來越火熱”，該公司于2013年8月推出了軟磁材料磁性測量儀。