非晶纳米晶材料如何实现高低温衰减≤12%

十五年前，600V 的系统电压是组件的主流产品。五年前至今，1500V 的系统电压成为了储能产业的系统电压标准。阳光电源、上能电气、华为等企业已经相继布局1500V高压储能系统，并且延续向更高压（如2000V）演进的态势。

如何提高储能销量、确保储能的安全性和可靠性是当前储能产业链企业面临的重要问题。就材料选型而言，需要选择耐高压、低损耗、高可靠性、高饱和磁感应强度的材料。

对此，Big-Bit资讯《磁性元件与电源》特邀安阳佳友非晶非晶科技有限公司（下称“佳友非晶”）的销售经理郭振伟，阐述在1500V及更高压储能系统下，对非晶纳米晶材料提出的技术要求、趋势以及佳友非晶在非晶纳米晶材料方面做出的行业范例。

储能集装箱 图源：包图网

一、非晶纳米晶材料在储能领域的应用现状及难点

在高压储能领域，行业内使用软磁铁氧体和金属软磁粉芯比较多，但铁氧体的饱和磁感应强度（Bs）仅0.4-0.5T，且温度稳定性差，在80℃以上时Bs值衰减超过30%，导致高温工况下储能器件体积需额外增大40%以上。金属软磁粉芯材料高频损耗较大，且铁芯绕线时容易碎裂。

而非晶纳米晶材料在高频低损耗、高功率密度（Bs高）、宽温域等方面具有显著优势，逐渐成为高压储能领域的新兴材料。非晶纳米晶材料在储能领域的应用集中于电力电子转换的核心环节，主要包括：

一是DC-DC 变换器的滤波电感与共模电感：用于抑制高频噪声，提升系统稳定性；

二是LLC 电路变压器 / 电感：通过高饱和磁感应强度（Bs）和低损耗特性，优化能量传输效率；

三是输入输出端电感：在高压化趋势下，需承受更大电流应力，非晶纳米晶材料的抗饱和能力显著优于传统材料。

然而，非晶纳米晶材料在储能领域的规模化应用仍存在多维度挑战，主要体现在：

在高频损耗与热管理方面，高压化导致开关频率提升，材料需在高频下保持低损耗，避免过热失效。

在抗饱和与环境稳定性方面，大功率场景下，非晶纳米晶材料易因不平衡电流进入饱和状态，需兼顾高 Bs 与抗直流偏置能力。

在环境适应性方面，需通过盐雾腐蚀、温湿度循环（-40℃~+85℃，湿度 95% RH）等测试，确保非晶纳米晶材料在复杂工况下长期稳定运行。

在异形结构适配方面，储能模块小型化要求磁芯结构多样化（如E-I 型、阶梯式或组合型），非晶纳米晶材料难以满足复杂结构需求。

在与新型器件的协同优化方面，SiC/GaN 器件开关速度达 100V/ns，需材料高频响应能力（截止频率 > 1MHz）与之匹配。非晶纳米晶材料的高电阻率（1.2μΩ・cm）可有效降低涡流损耗。

“实际上，非晶纳米晶材料现在在很多场景的性能都是有冗余的，相较于性能能做得多么好，我们目前更关注如何提高非晶纳米晶材料稳定性，降低客户的生产成本。我们的优势是在高磁导率状态下，依然保持良好的温度稳定性，并且绕线后的性能衰减明显更小”郭振伟表示。

相比于非晶纳米晶材料本身的限制，非晶纳米晶行业目前的主要痛点在于：非晶纳米晶材料的标准化难度较大，且客户对非晶纳米晶材料的了解有限，许多仿真软件中甚至未包含非晶纳米晶材料的选项。并且在设计端印象中非晶纳米晶材料价格比较高，设计的时候不会考虑。

实际上，尽管非晶纳米晶材料的初始成本相对较高，但由于其能够有效减少元件体积、降低铜线用量，并减少散热处理成本，综合来看非晶纳米晶材料成本可能更具优势。

他补充道：“因此，相较于单纯追求性能的极致提升，当前我们的战略更倾向于拓宽非晶纳米晶材料的应用范围，提高非晶纳米晶材料的稳定性，使其适用于更多场景，从而更好的发挥非晶纳米晶材料的优势，为客户解决设计上的实际问题。”

二、双低纳米晶储能解决方案

佳友非晶作为一家专业生产非晶纳米晶磁芯的企业，储能一直是其重点关注市场。在高压储能领域，佳友非晶的非晶纳米晶产品主要应用在以下几个部位：

1.高频LLC电感：软磁材料Bs（饱和磁感应强度）越高，磁芯抗饱和能力越强；Hc（矫顽力）越低，磁滞损耗越小。纳米晶环形磁芯（Bs=1.2T@25℃/1kHz）较Mn-Zn铁氧体（Bs=0.4T）提升3倍，配合低矫顽力（Hc<0.5A/m），在 100kHz/0.2T工况下铁损低于50kW/m³，实现体积减少40%、效率提升2.3%以上。通过环氧树脂粉末静电涂装提升绝缘强度（耐压>5kV），适配1500V高压系统。

2.抗饱和滤波电感：针对高压化趋势，开发 μ=＜500低磁导率纳米晶磁芯，通过恒温、恒速度、恒张力退火工艺精准调控磁导率，在 100A 直流偏置下电感量下降 < 10%，满足并网标准对电流纹波的要求。

3.EMI滤波共模电感/线束磁环：闭环磁芯结构配合宽频阻抗特性（10kHz-10MHz），有效滤除高频噪声，提升系统EMC性能。

针对前文提到的难题，佳友非晶有以下方案：

1、高频低损耗磁环技术开发

采用0.018mm以下厚度的纳米晶薄带化设计，降低涡流损耗。同时通过精确退火，将晶粒尺寸控制在10~15nm，可使磁滞损耗降低20%左右。

2、热管理与应力稳定性

虽然纳米晶的居里温度比较高（550℃以上），但目前的纳米晶磁环125℃以上时普遍会有20%左右的磁导率衰减，超过了材料本身磁导率温度衰减（125℃衰减6%左右）。

郭振伟提到：“我们认为原因是非晶行业一般使用树脂浸泡烘干的方式固化磁环，磁环本身和叠片间隙中固化液、空气的热膨胀系数不同，导致磁环受内应力影响。”

对此，佳友非晶自研调配出复合配方的固化液，通过添加复合填料降低固化液CTE，保持与磁环的热膨胀系数接近，目前可以实现125℃情况下，电感衰减≤12%，同时大幅减少了磁环绕线后的感量衰减情况。

3、耐高压与环境稳定性

传统的非晶、纳米晶磁环一般需要加外壳、喷漆或者是环氧树脂粉末静电喷涂来保护磁环和提供绝缘强度，近年来因为小型化、集成化的问题，装盒的占比减少。而喷漆会有环保的问题，所以喷涂的占比越来越高。

佳友非晶开创性的使用了高分子镀膜方式代替传统的喷漆和喷涂，在涂层厚度不超过0.1mm的情况下可达到6kV以上耐压，并且膜层的环境适应性更强，已通过盐雾腐蚀（ISO 9227）、温湿度循环（-40℃~+85℃，湿度 95% RH）等测试，可确保磁环在复杂工况下长期稳定运行。

从左到右依次是：未处理过磁环、镀膜后磁环、装外壳磁环

三、高低温下感量变化≤12%，佳友非晶如何应对高压高频挑战

在高电压趋势下，储能领域对非晶纳米晶的需求呈现出以下三种趋势：

一是高频化与小型化：随着SiC/GaN器件的普及，储能系统工作频率提升至MHz级别，要求材料具备更低损耗和更高磁导率。同时要配合元件集成的要求，缩小磁环体积。

二是低成本化：随着规模化应用，对磁元件和磁环厂家的成本控制要求也更严格。

三是环境稳定性：极端环境下磁导率波动需控制在±20%以内；需要通过盐雾试验。

目前，储能系统正朝高压化趋势发展（如2000V系统），这对非晶纳米晶材料提出了新要求。

首先，2000V系统对磁芯绝缘层的耐压要求显著提升，2000V系统磁芯绝缘需通过6kV/1min工频耐压测试，并且需要通过湿热循环测试（85℃/85% RH，持续1000小时）。

其次，由于2000V系统母线电流可高达数百安培，材料的抗饱和能力也需要进一步强化，并且要求具备低磁致伸缩系数（小于2ppm），以有效减少振动和噪声。

此外，磁环的形状不再局限于传统的环形，还需要满足更多样化的适配性要求。

针对上述趋势，佳友非晶非晶通过材料创新、工艺革新及产业协同等方式，全面布局应对储能高压化、高频化挑战。

在材料创新方面，公司正着手开发适用于3MHz以上高频场景的超低损耗纳米晶材料，同时持续改良工艺，推动国内纳米晶磁环的高温稳定性达到国际先进水平，并规划探索下一代复合磁材技术，包括探索Fe-Co基非晶/纳米晶复合材料（Bs＞1.6T）、石墨烯复合技术以及其他软磁材料复合技术等。

在工艺革新上，引入磁性能预测模型，优化退火工艺参数，有效缩短研发周期。

此外，在标准化与生态协同方面，联合头部企业制定高压储能的行业标准，涵盖耐压等级、高频损耗测试方法等，并与半导体厂商联合开发高频磁-电协同设计方案，以提升系统能效。

结语

建设储能系统不仅可以实现峰谷套利，还能有效平抑电网供需波动，该市场已成为众多资本竞相布局的热点领域。而佳友非晶非晶的技术布局不仅着眼于满足当前市场需求，更致力于通过3-5年的前瞻性研发，为行业未来发展提供坚实支撑。

展望未来，具备高频低损耗、耐高压、高稳定性以及低成本特性的非晶纳米晶材料企业，有望在市场竞争中脱颖而出，赢得更多发展机遇。

本文为哔哥哔特资讯原创文章，未经允许和授权，不得转载

审核编辑 黄宇