摘要：  随着功率变换器向高效率和高功率密度方向的发展，如何缩小高频磁性元件的体积变得越来越重要。但高频磁性材料的饱和磁密限制了磁性元件，尤其是直流电感体积的减小。除了进一步开发高饱和磁通密度的磁性材料外，应用永磁材料的预偏磁抵消电感的直流电流偏磁已成为业界关注的热点。本文详细分析了目前的永磁体预偏磁方案，针对目前方案的不足，提出了新的永磁布置结构思路以及磁路参数设计要求，达到了增强电感器的抗饱和性能和减小体积的效果，同时又能克服永磁体的高频涡流损耗以及退磁的问题。通过仿真与实验测量，证明了理论分析的正确性以及方案的有效性。

关键字：  高效率，高功率密度，高频磁性元件，永磁偏置，抗饱和性

0 引言
随着功率变换器小型化、高频化趋势的不断发展，电功率密度越来越高，对电气元件尤其是磁性元器件的设计要求也越来越高。提高直流电感器的饱和特性是磁性元件的一个重要发展方向。
一方面可以从磁性材料本身考虑，如研发更高饱和磁密特性和更高工作频率的材料，但现有的铁氧体饱和磁密难以超过0.45T，高通磁粉芯，铁硅铝磁粉芯，和非晶，微晶等材质也都受到磁芯损耗的限制，通常只适合较低的工作频率。
因此另一方面则考虑采用永磁材料引入反向预偏磁，来提高电感的直流载流能力。最直接的考虑就是在电感磁通磁路的气隙中引入永磁体[1， 4， 8]，如图1所示，但这样电感磁通的交流分量和直流分量会一起流过气隙中的永磁体，这就必须克服交流磁通在永磁体上产生的涡流损耗以及可能的脉冲电流引起的永磁体退磁问题。采用永磁铁氧体，由于其自身电阻率较高，涡流小，但剩磁磁密Br和矫顽磁力Hc都较小，如表一所示，其本身的偏磁效果差，容易退磁，温度特性也不好。采用钕铁硼等高性能的永磁材料，尤其是烧结型合金永磁体，Br和Hc都很大，抗退磁能力强，温度特性好，但电阻率很小，在交流磁通作用下涡流损耗很大，无法直接应用于气隙中。因此，如何通过合理的设计既利用好钕铁硼高Br，高Hc的永磁特性，又能克服其电阻率低的不足，正是本文研究的切入点。本文提出，利用烧结型钕铁硼永磁材料并通过合理的磁路磁阻参数设计，使得交流磁路与直流磁路分离，有效的克服了永磁体中的涡流效应与发热问题，避免了永磁体被高频电脉冲退磁，使得钕铁硼永磁材料能够得到合理、有效的利用。
1 烧结型NdFeB系永磁材料的磁特性
烧结型NdFeB系永磁材料，与铁氧体永磁材料及其他粘结合金永磁材料相比，拥有更优异的磁特性，如非常高的Br值，可达1.4T以上；高矫顽力，可达900kA/m以上；高磁能积，可达400kJ/m3以上。对特定型号的钕铁硼永磁体通常情况不能同时达到以上全部性能指标，但作为本文重点论述的在直流偏置磁性元件中的应用，则更关注其矫顽力。
永磁体的回复磁导率理论[13]为：
μrec= Ba / Ha                                      (1)
根据式(1)μrec值越小，即Ha>>Ba时，永磁体抗外界磁场干扰的能力越强，越不易被退磁，同时可以减小一定应用条件下永磁体的体积。
由于烧结型钕铁硼系永磁材料拥有如此良好的磁性能，已广泛的应用在各种通信，电子，以及信息技术中，但在高频功率变换器中的应用还未见报道。其主要原因在于较其它永磁材料低得多的电阻率，当受到高频交流磁通的作用时就会很快发热、退磁失效。如何充分利用该系永磁体的高矫顽力磁特性，从而获得良好的直流叠加性能，需通过合理巧妙的磁路结构以及磁路参数设计来遏制高频磁通对永磁体的损耗发热和退磁作用，使得功率变换器的功率密度得到提升，体积、重量减小，而电感量不下降。
从下表1可看出，钕铁硼永磁材料相比于铁氧体永磁材料除电阻率较低以外，包括剩磁磁密，内禀矫顽磁力，最大磁能积，最高允许工作温度等各方面性能都优于铁氧体等永磁材料，因此充分利用钕铁硼的优势，规避其电阻率低的固有缺陷正是本文研究的主要方面。
表 1  某厂家最强钕铁硼与最强铁氧体永磁材料性能对比
材料名称 剩磁Br(T) 内禀
矫顽力Hci(kA/m) 最大
磁能积(kJ/m3) 电阻率
(Ω.m) 工作温度
(℃)
NdFeB35H 1.17-1.24 >1353 264-288 1.6E-6 通常<120
铁氧体Y40 0.44-0.46 340-360 37.6-41.8 102～108 通常<80

2 具有永磁体偏置的电感直流特性分析
功率磁性元件特别是功率电感在各种功率变换器中有着十分广泛的应用，如PFC电路的Boost电感，DC/DC变换器的输入、输出滤波电感，UPS，变频器和逆变器中的输出电感等。由于磁性元件磁芯材料BH曲线的饱和特性，随着电功率密度的进一步提高和偏磁磁密的增加就会带来磁芯饱和，电感量下降。为了解决这个问题，进一步提高功率电感的抗磁饱和能力，直接的办法就是将永磁材料放置在磁路的气隙中，如图1所示，以利用永磁材料的反向预偏磁来部分抵消电感线圈直流电流造成的偏磁饱和，从而提高电感的直流能力。从理论上讲，采用永磁体后，通过合理设计，电感的直流能力可以提高一倍。另一方面，如果保持永磁偏磁前后电感的直流特性不变，则引入永磁偏磁后，磁路磁芯的截面积可以减小，从而使得绕组的平均长度降低，则有助于绕组损耗的降低，尤其是对于大功率直流电感。
对于图1所示的永磁偏磁结构，虽然结构简单，但交流磁通也会跟直流磁通一样完全流过永磁体，从而因涡流效应产生很大的损耗，并可致使永磁体失效。为了既能充分利用烧结型钕铁硼优良的永磁特性，又能克服其电阻率小，涡流损耗大的问题，本文提出了一种新的永磁偏磁结构，并通过合理的磁路磁阻参数设计，达到主磁路直流磁通可以有效抵消，而永磁体分磁路交流磁通和直流磁通分离的思想。这样设计的主要好处是既增强磁性元件的抗饱和性能，又使得磁性元件中永磁体本身不受高频交流磁通的影响，从而有效提高电功率密度，同时获得稳定的磁、电性能。
3 采用烧结型NdFeB系永磁偏置的新结构及其分析
本文提出的永磁偏磁电感原理结构如图3所示，从A、B两个节点形成了三个分支磁路，即电感激磁绕组磁路Rc，气隙磁路Rg和永磁体磁路Rm。为了使得激磁绕组产生的交流磁通不通过永磁体磁路，而永磁体产生的直流偏磁又能通过激磁绕组磁路，各分支磁路的磁阻参数需要满足以下关系式：
Rm>>Rg>>Rc                                       (2)
电感工作磁路可由叠加定理分成两部分分别考虑：一为直流磁通磁路，一为交流磁通磁路。直流磁通流过永磁体，由于磁通恒定，不会产生涡流效应与损耗；交流磁通在(2)式的设计考虑下，将只有很小一部分交流磁通通过永磁体磁支路，绝大部分交流磁通只在磁芯与气隙中流通，避免了永磁体因涡流效应而过热以及被电流干扰脉冲退磁的问题。故由于磁路磁阻参数设计的原因，使得交流磁通通路与直流磁通通路流通的路径完全不同，实现了有效分离，如图6所示。
现对直流磁通与交流磁通分别进行论述如下：直流通道的磁路模型图如上图4所示：
工作线圈的直流磁势和永磁体形成的磁势在磁路中满足以下各式：
                        (3)
                       (4)
                                (5)
                           (6)
                                        (7)
                         (8)
由(8)式可知，当线圈中无电流即(IN)DC=0时，通过调节永磁体磁路磁阻参数Rm可以调节Rc磁路中磁通Φ值的大小，当调节合适时可使得Rc磁支路工作在接近反向饱和区。由于(IN)magnet永磁磁势为恒定值，由此可知(IN)DC可工作区间为0~2(IN)magnet/Rm，而电感器不饱和，能稳定工作。相比较而言，去掉永磁体后此直流电感只能工作在相当于0~(IN)magnet/Rm值的范围内。采用永磁体预偏置电感器直流载流能力最大可提高一倍。
交流磁路分析：
                         (9)
                               (10)
                       (11)
                    (12)
为了使得Φ5磁通对永磁体的影响尽量小，可设定Rm>5Rg以上，此时纹波磁通Φ5值对永磁体的影响就非常微弱了。
在一定的电感空气隙下，由于钕铁硼系永磁体Hc值很大，故通过调节其连接磁柱的磁阻总可以调节永磁体到合适的工作点，使得电感在无线圈电流时工作在接近反向饱和的状态，进而随着线圈电流的增加，电感器能可靠工作直到接近正向饱和区。是传统理论设计的高频功率电感工作电功率密度的两倍，同时永磁体几乎不受高频纹波磁通影响。
4 磁路仿真分析
本文用Ansoft MaxwellR软件对图6所示的结构的一颗电感（磁芯为U20-16-07）进行加永磁体的二维电磁场仿真分析。永磁体材质为软件默认材质NdFe35，尺寸厚度1.2mm，高度3.5mm。电感气隙0.2mm。永磁磁路软磁连接体选用高饱和磁通密度的矽钢片。线圈电流直流分量为5安匝，静磁场仿真结果如图7所示；100kHz交流分量为3安匝，涡流场仿真结果如图8所示。
仿真结果如下：
分析图7、图8可知，由于磁路磁阻参数设计合理，有效的实现了交流磁通与直流磁通在永磁体磁支路上的分离。从图8得永磁体磁支路上只有微弱的交流磁通流过，因此永磁体磁路上的软磁连接体可以选用高饱和磁密、低电阻率、低成本的矽钢片等材质，仿真分析证明了第3节中理论分析的正确性。
5 实验验证
为了验证以上原理和设计的正确性与有效性，本文设计了一颗开气隙的永磁预偏磁电感。并通过Chroma 3302-LCR表及直流偏置电源测量电感的直流特性。
电感器结构如图6所示：
1、磁芯为UU型铁氧体，初始磁导率2300，右边柱磁芯截面积84.8mm2，上、下、左边柱截面积为42.4mm2，平均磁路长度70mm，绕线窗口高度19mm，窗口宽度为9mm；
2、绕组线径0.32mm，匝数为65匝，平均匝长60mm；
开口气隙为0.35mm，测定其在有否采用NdFeB系永磁体预偏磁的两种情况下的电感直流特性。测试结果如图9所示，可以得出，永磁偏磁下电感的载流能力显