高频变压器材料新解：纳米晶的涡流损耗逆袭之路

通过带材做薄纳米晶，可以降低涡流损耗。原因有二：一、纳米晶做薄可以减小磁场的趋肤效应；二、纳米晶越薄材料电阻越高，整体电阻越大，涡流损耗越小。本篇，就来详细谈谈变压器的涡流损耗。

铁氧体材料成本低，工艺成熟，但在高温和高频下，性能不佳。纳米晶作为新兴材料，高频特性好，温度稳定性高，但成本较高，生产工艺不够成熟。

除此之外，我们还从磁导率、工作频率、饱和磁通密度、直流偏置特性、居里温度、损耗等方面做了比较，如下表格：

汽车，尤其是能源车800V高压平台和SiC/GaN器件的应用，对电感材料的高频、高效率、高温稳定性、轻量化、成本控制以及抗干扰能力，提出了更高的要求。在OBC车载充电机中，我们可以使用纳米晶在LLC拓扑中做谐振电感，可以降低损耗超过30%以上，体积可以缩小40%以上。高功率产品，用到电感数量较多，采用纳米晶，还可以减少并联数量。

涡流损耗磁芯中有磁力线穿过，在与磁力线垂直的方向上会产生感应电流。涡流的存在使磁芯发热消耗能量，这种损耗称为涡流损耗。（下图右侧箭头指示为涡流损耗）

公式如下：

涡流损耗P与频率 f 的平方成正比。因此，频率越高，涡流损耗越大，且在高频下体现更加明显。流损耗P与材料厚度的平方成正比，厚度越薄，涡流损耗越小。利用这一原理，制成了低频硅钢片变压器，且越薄应用的频率越高。只不过，硅钢片的电阻率低，且磁导率在高频下衰减严重，无法应用于高频。涡流损耗P与磁感应强度B成正比，与电阻率成反比。与铁氧体相比，纳米晶磁感应强度B是铁氧体的3倍以上，但通过带材工艺，材料的厚度可以做薄，其涡流损耗在一定程度上是可以低于铁氧体的。

而且涡流损耗与材料厚度的平方成正比，厚度降低一半，涡流损耗降低为原来的1/4。通过掺杂工艺，还可以进一步提升纳米晶材料的电阻率。因此，从理论和工艺来看，在数百KHz的频率下，纳米晶的涡流损耗是可以低于铁氧体的。如此看来，从理论上来说，纳米晶除了用于电感，也是可以用于高频变压器的。在电机驱动系统中，目前也是以纳米晶为主。在逆变器输出滤波中，纳米晶输出滤波PWM谐波抑制（THD＜2%）优势显著。

其次，纳米晶耐受1000A/μs电流突变能力比铁氧体强，可用于减速、刹车等场景。对于汽车中的DC-DC应用，800V及以上平台高压转换，基本是使用纳米晶为主滤波，主要是因为其在瞬态响应（＜5μs）表现更优。但在常规的低压转换中，如400→24V，铁氧体材料用于滤波本身成本优势明显，应优先使用铁氧体为主，具体采用哪种材料，需综合对比成本。

审核编辑 黄宇