千亿订单外 分布式光伏磁元件还应该关注什么

　　【哔哥哔特导读】近期光伏硅料产能抢夺大战进入白热化阶段，订单金额也节节攀升，9月份通威股份签下到硅料订单金额已超过1000亿元，吸引了整个光伏产业链的目光，但对于磁元件厂商而言，又该关注哪些问题?

　　分布式光伏发电系统主要采用微型逆变器，只对应单块或数块光伏组件，能够对每块光伏组件进行独立的最大功率跟踪控制，从而实现对每块光伏组件的输出功率进行精细化调节及监控，具有安全性高、发电效率高、可靠性高、灵活性高等特点。本期《对话》将通过与整机厂商、磁性元器件厂商等光伏行业上下游产业链厂商的对话，以探究分布式光伏行业现状、磁元件在分布式光伏应用中面临的技术难点以及磁元件厂商应具备的资质等问题。

　　问题导览：

　　1、目前分布式光伏功率主要在什么范围?主流的分布式光伏功率一般是多少KW?

　　2、分布式光会用到哪些磁元件?磁元件用量如何?

　　3、特变电工闫立栋：相比于过往的集中式光伏，分布式光伏对逆变器的功率现正不断减小，未来一拖一、一拖四的微型逆变器有可能成为市场主流，磁元件对此有何具体的产品解决方案?

　　4、分布式光伏对磁元件的技术指标有哪些?作为逆变器里的定制型产品，您认为磁元件的设计人员应该特别注重哪些技术指标的实现，才会有助于逆变器的品质稳定和性能提升?

　　5、古瑞瓦特吴良财：磁元件应该是半导体以外的第二大损耗源，不同厂家、不同设计、不同产品，磁元件对分布式光伏逆变器效率的影响都不一样，我个人预估占到20%-30%，贵司产品的损耗目前处于什么水平?

　　6、你希望上游的磁元件企业能够提供什么样的配合(选材、设计、技术解决方案、生产工艺、售后服务等方面要求及配合方式)?

　　7、古瑞瓦特吴良财：贵司是否有完整的打样链条和测试条件，对磁元件损耗能进行模拟性或接近实际的测试平台?

　　8、古瑞瓦特吴良财：针对第三代半导体材料的应用，贵司在磁元件、材料上是否有配套的产品或研发?

　　分布式光伏对话嘉宾

　　1、目前分布式光伏功率主要在什么范围?主流的分布式光伏功率一般是多少KW?

　　台达电子杨海军：从我了解到的信息，6-10KW是比较分布式光伏主流的功率范围。

　　英威腾陈威：分布式光伏以15-110KW功率段使用较多，三相机15KW，固定机30KW，工商业100-110KW较多。

　　2、分布式光会用到哪些磁元件?磁元件用量如何?

　　阳光电源杨志刚：现阶段分布式光伏主要有功率电感、EMC滤波电感、Boost升压电感、逆变电感、高频隔离变压器、驱动变压器等，磁元件合计占比25%-30%。

　　台达电子杨海军：Boost电感2颗，三项密电基本是3颗电感，再加上一些驱动，一个分布式光伏变换器需要12-15颗磁元件。因为分布式光伏安装在屋顶，人其实很难接触到，不再需要强制隔离，较以前少了安规隔离变压器。

　　英威腾陈威：分布式光伏一般单台电感用量不超过10个，变压器则要少一些。

　　东睦科达陆庆：粉芯材料主要运用到升压电感及逆变电感上，在逆变器中的占比约为10%~20%。

　　3、特变电工闫立栋：相比于过往的集中式光伏，分布式光伏对逆变器的功率现正不断减小，未来一拖一、一拖四的微型逆变器有可能成为市场主流，磁元件对此有何具体的产品解决方案?

　　顺络电子袁聪：从集中式光伏到分布式光伏，意味着单个磁元件的功率有下降趋势，用多个中功率的磁元件来替代单个高功率的磁元件，对顺络来说反而有优势，我们主推的是高频，自动化的器件解决方案，中功率产品适应自动化的生产要求，比如我司主推的平板变压器，在100kHz以上工作频率下，1.5kW是完全能自动化生产且具有成本可比性的额，并且具有更高的功率密度，更低的损耗，更小的尺寸，是磁元件的发展趋势，也完全能应对分布式光伏中微型逆变器的要求。磁元件主要通过新型磁材的开发使用、优化结构设计等方面去提升产品，例如顺络电子推出的ATPPER系列LLC变压器，采用PCB+扁平线结构，高度比传统结构降低10%，产品电流密度高(≤300A)，低损耗，并且具有良好的散热性能，最高效率≥98.3%，磁路均匀，结合第三代半导体高频应用，可以大幅提升微逆的功率密度，提升效率，减小体积及重量;同时，生产自动化水平的提升，也有助于增强产品的一致性及稳定性。

　　艾克比纵浩：面对方兴未艾的分布式光伏领域，微型逆变器应运而生。在PV发电系统中，每一块光伏板接入一台微型逆变器。当其中一块电池板不能良好工作的时候，不影响其它电池板正常运行。这使得系统效率更高、发电量更大。

　　分布式光伏微型逆变器安装方便、更换方便，使得1KW以下的分布式光伏领域更加细化和丰富。微型逆变器的交流输出端电压为0，直流输入端电压小于40V，更加安全，还可以远程监测。目前来看，分布式光伏微型逆变器还处于示范和应用阶段，成本较高，市场占有率不高。面临极大的需求前景，微型逆变器成为市场主流是不可逆转的趋势。阳关电源、锦浪、昱能科技、固德威、德业股份等企业纷纷布局分布式光伏，在全球微型逆变器市场中成绩显著。

　　逆变的效率越高，损耗的直流电能越少。越来越多的微型逆变器厂家会把效率、高增益比的拓扑作为分布式光伏主要技术指标进行研发。高频变压器使得微型逆变器的成本高、体积大、重量重、效率低，为解决这个问题，不包含隔离变压器的非隔离型微型逆变器成为逆变器企业研究的重要内容。同样，对于逆变器的微型化，磁元件的可靠性和效率更加苛刻。高温、高湿、低温、干燥、通风情况、灰尘、震动等因素下，磁元件工作环境影响着微型逆变器的工作效率。这对磁元件选材、设计、工艺和生产制造环节提出了严格要求，考量着磁元件企业在微型逆变器领域的技术研发实力和服务水平。

　　三盛源袁永华：分布式光伏微型逆变器产品因其功率降低，磁元件将更加容易实现自动化生产，有利于性能一致性提升与成本降低，敝公司有成熟的分布式光伏磁元件全自动生产线和产品方案，可按客户项目提供设计服务。

　　分布式光伏，图片来源：包图网

　　4、分布式光伏对磁元件的技术指标有哪些?作为逆变器里的定制型产品，您认为磁元件的设计人员应该特别注重哪些技术指标的实现，才会有助于逆变器的品质稳定和性能提升?

　　太原理工大学杨玉岗：高频磁元件损耗包括磁芯损耗和线条损耗，磁芯损耗主要是因为高频脉冲电流导致磁通也按高频变化，引起磁滞和涡轮损耗;线条损耗主要是绕组损耗，高频脉冲电流导致线条里产生高频涡流损耗，一是趋肤效应产生的损耗，另一个就是多匝绕组产生的高频邻近效应损耗，是趋肤效应损耗的好几倍。

　　利兹线可以有效降低趋肤效应损耗，对邻近效应损耗也有效果，如果采用常用的扁平立绕线圈或者PCB绕组，通过线圈导体多匝之间的交错排列，可以大幅度降低邻近效应损耗。

　　阳光电源杨志刚：感量、匝比、损耗、温升、噪音、EMC、重量、寿命、成本等;我认为分布式光伏磁元件的设计人员应该追求∶高感量密度、宽温工作特性、极致散热能力、高机械强度、长期耐久性、高性价比。

　　台达电子杨海军：首先是铁芯的牌号和形状，在需要工作条件下的损耗，最恶劣环境下的偏置情况等，我们会提供参数给供应商，或者请他们推荐几种类型供我们筛选;

　　二是结合本身的形状，变换器的散热条件并形成配合，这是很重要的;

　　三是长期耐久性，10年甚至15年，这也是我们很看重的。

　　古瑞瓦特吴良财：要求主要有两个方面，一是长期的可靠性，因为分布式光伏的设计至少要在15年以上，正常情况下面板的寿命设计要求有20到25年，逆变器在良好的条件下，事实上会需要达到20年的寿命设计要求;二是效率，现在很多大功率逆变器对效率的要求是能要达到99%以上，中功率逆变器需要达到98.5%左右，小功率逆变器尽可能接近98%。就效率而言，业界本身也有较高的要求，铁硅铝用的比较多也是因为效率的原因。

　　从提升逆变器品质和性能的角度，我觉得磁元件厂商可以从三个方面着手。一是磁粉的材料选择看是否有机会降低损耗，为分布式光伏开发新的产品方案;二是如何减少各种加工工艺带来的损耗。加工工艺带来的损耗也是比较明显的，如铜线绕制、块状堆叠、气隙、涡流损耗等，需要考虑提高加工工艺水平，减少各种工艺带来的边际损耗;三是本身的铁损，我相信这也是大家一直努力的方向。

　　东睦科达陆庆：分布式光伏磁元件的主要技术指标分为，磁导率，抗饱和能力及磁芯损耗。

　　5、古瑞瓦特吴良财：磁元件应该是半导体以外的第二大损耗源，不同厂家、不同设计、不同产品，磁元件对分布式光伏逆变器效率的影响都不一样，我个人预估占到20%-30%，贵司产品的损耗目前处于什么水平?

　　太原理工大学杨玉岗：电源的损耗分为开关损耗，磁元件损耗，现在采用LLC谐振变换和氮化镓材料，开关管采用0电压开通、0电流关断，开关损耗是逐步降低的，但因为频率的提高，磁元件损耗也呈上升趋势。随着磁性材料不断发展、新的排列组合方式不断被开发，目前其高频损耗也逐步地降低，总体上实现了平衡，我认为应该还是和以往一样，总体占比在20%-30%左右。

　　锦浪科技侯博译：具体的损耗配比，因为涉及到开关管和磁元件，可能也不好一概而论，要看具体工程方案的选择。一般而言，在功率变换过程中，磁元件损耗在单机损耗的占比约30~50%。

　　顺络电子袁聪：顺络电子拥有磁性材料开发团队，可以根据应用需求，开发对应的低损耗磁材，目前针对分布式光伏逆变器应用开发的合金材料，在相同工作条件下，磁材损耗已经接近铁氧体，但饱和特性更加优异，可以完美应对高频率大电流低损耗的应用需求;除了基础材料外，产品本身的设计和自动化生产也是产品性能的保障。通过不断的创新优化，顺络电子的产品性能包括损耗始终处于行业领先水平。

　　艾克比纵浩：如上所述，磁元件的工作效率取决于逆变器的工作环境。目前我司的分布式光伏产品效率通过模拟现场工作和环境条件进行深入分析。总体来看，我司的分布式光伏产品实验室模拟效率一直在90%以上。客户比较关注的是分布式光伏产品的使用寿命期和低损耗，这本身就是一对矛盾体。基于此，我司投入数十万元建设了新能源器件可靠性实验室，利用产学研合作平台，通过专兼职技术团队，对产品的研制阶段就进行严格的测试、实验和分析，制定了合理的工艺筛选条件;对成品通过高低温、盐雾老化、震动跌落、高湿干燥和Halt测试等可靠性试验进行鉴定和验收。

　　不断降低产品的损耗，就要打造对口的技术团队，不断进行可靠性增长试验。通过反复“试验—分析—纠正—提高—再试验”的方法，遴选优质原材料、找准设计缺陷、工艺缺陷和生产缺陷，用品质和数据说话，力求产品的效率和寿命兼得。目前来看，我司器件的效率达到90%以上，通过经验积累和技术升级，效率还会更高，为微型逆变器领域提供有力支持。

　　三盛源袁永华：降低分布式光伏磁元件的损耗有以下方法：

　　一是变压器磁芯选用低损耗的材质，例如：频率100KHZ左右选用PC47;频率300KHz 以下选用PC95或96材;

　　二是电感磁芯选用低损耗的材质，使用超级铁硅铝/铁硅三代/超级铁镍，磁芯损耗均有大幅度的降低，约40%左右;

　　三是线圈使用绞线设计，为了充分利用绕线的空间，绞线先进行整形，整形成所需要的正方形或长方形，提升窗口利用率，可以增大铜线的截面积，以降低线圈的损耗;

　　四是为了降低产品线圈的温升，线圈外表注塑导热粉料，以增大产品的散热面积及散热能力，可以有效的降低产品的温升(10~20℃)。同时可以缩小产品空间。

　　东睦科达陆庆：我司各材质的损耗水平均处于行业第一梯队水平。随着半导体器件的发展，高频化、高功率密度的要求，对金属软磁粉芯的损耗提出了更高的要求。经过多年的技术开发，通过对粉末粒度、包覆层改善、成型工艺等方面进行改善，各类金属磁粉芯的磁芯损耗都在不断降低。

　　分布式光伏，图片来源：包图网

　　6、你希望上游的磁元件企业能够提供什么样的配合(选材、设计、技术解决方案、生产工艺、售后服务等方面要求及配合方式)?

　　阳光电源杨志刚：管理上∶三化一稳定(人员专业化、管理IT化、作业自动化、关键岗位人员稳定);

　　选材∶材料高性价比，易一体成型;

　　技术方案∶未来上下游的供应链稳定性非常重要，上下游之间的技术沟通会越来越紧密，希望上游企业多培养磁元件应用端工程师，加强与下游企业技术沟通的广度和深度，减少方案设计时上下游之间信息理解的不对称;

　　生产工艺∶标准化、流程化、易自动化组装，减少人为作业占比;

　　售后服务∶上下游之间命运紧密连接，成为命运共同体，上游企业应占位从下游企业应用产品全生命周期提供服务;

　　配合方式∶疫情常态化促使上下游之间改变配合方式，由线下沟通更多转变成线上交流。

　　台达电子杨海军：小功率分布式光伏产品不同铁芯厂商都有其标准材料，可以结合实际功率应用需求提供相应解决方案，100KW及更大功率产品则需要定制化磁元件解决方案，电源企业对磁元件相关工艺了解相对没有那么全面，比如功率分段、特殊结构、空间预留以及如何开模以保证磁元件损耗相对稳定且较小，我们是非常希望磁元件厂商可以给出一些指导意见或咨询资料，甚至能够提前介入前期开发以确定产品形状、特性等。

　　古瑞瓦特吴良财：一是有完整的打样链条和有完整的测试条件，对损耗能进行模拟性或者接近实际测试平台;三是与第三代半导体配套的磁元件、材料研发，尤其是材料的研发我觉得是偏慢的，大家在材料使用方面都大同小异，粉芯性能水平差别不大，而且材料性能没有逐年上升的这种趋势。随着第三代宽禁带半导体的使用，磁元件并没有提出很直接的、跨时代、跨专业的配套产品，使用第三代半导体之后，就磁元件而言，有部分比如像铁氧体可能比较适合，但就粉芯类来讲，可能目前没有看到适合，或者能用但性能指标上没有那么突出，我们是比较担心磁元件厂商是否能够跟上第三代半导体材料相关的研发配套。

　　7、古瑞瓦特吴良财：贵司是否有完整的打样链条和测试条件，对磁元件损耗能进行模拟性或接近实际的测试平台?

　　顺络电子袁聪：目前顺络电子拥有将近40人的样品制作团队，3D打印设备可以快速应对工程样品的交付;顺络的中心实验室是CNAS认可实验室，符合ISO/IEC17025：2005要求，同时也是“顺络-是德”电子测量联合实验室，顺络CYBERNET仿真联合实验室，可以提供专业的产品测试能力，其中，磁元件/磁性材料的损耗测试，也是常规的测试项目。

　　艾克比纵浩：我司进军新能源领域多年来，积累了一大批国内外优质客户，目前研发、打样、生产条件日臻成熟，规模和实力不断扩大。公司专项资金投入研发，建立新能源器件可靠性实验室，可对产品进行各类筛选试验、增长试验、鉴定试验和交收试验。此外，与高校进行联合科研攻关，解决了诸多磁元件复杂技术难题，为产品的创新升级夯实基础。

　　三盛源袁永华：有完整的打样链条，变压器/共模滤波器/电感产品都可以打样，特殊产品可以开模或开发生产设备;磁元件损耗可以通过仿真软件(ANSYS MAXWELL/ICEPAK)进行模拟评估。

　　东睦科达陆庆：我司具有完整的打样链条，可满足客户多元化的打样需求，我司具有多样的损耗测试平台，可测试不同频率、不同磁通密度下的磁芯损耗，每次出样前都会针对电感值、抗饱和能力及磁芯损耗进行测试。经过这几年的长期市场开发和送样测试，我司已经在分布式光伏逆变器全功率段都形成了量产，同时我们还在不断开发新材料为下一代光伏逆变器做技术储备。

　　分布式光伏，图片来源：包图网

　　8、古瑞瓦特吴良财：针对第三代半导体材料的应用，贵司在磁元件、材料上是否有配套的产品或研发?

　　太原理工大学杨玉岗：据我了解，国内著名磁性材料专家浙江工业大学车声雷教授研究的新型软磁材料能开关频率可以达到5M Hz，其损耗比业内先进的，如TDK的PC50材料也有大幅度的降低，但产业化规模还比较小。目前我们也在利用东磁的DM53材料进行磁芯的开发，可以满足500k Hz~1M Hz开关频率要求，已经入样机制造阶段。我认为随着磁性材料的不断进步是可以跟上第三代半导体材料发展步伐的。

　　浙江工业大学车声雷：以往频率对电源损耗的影响很大，大概2015年以前，半导体材料的频率其实是落后于磁元件频率的。第三代半导体材料应用以后，能效和功率密度随频率提升都有了改善，目前形势已经逆转，变压器、电感用的材料频率较低，如PC95/96等100k Hz的材料，300k Hz几乎已到极限，现在很多产品虽然已经使用氮化镓材料，但其频率仍停留在300k Hz，其原因就在于此。目前我们的目标主要是针对1M Hz和3M Hz能够尽快开发出具有实用价值的材料并实现产品化，这样就能够跟得上电源高频化发展趋势。当然，产品化除了解决材料问题，还需要磁元件设计及周边配套能够跟上。再往上提升到5M Hz，可能会出现更多新的问题需要攻克，这是未来再去探讨的问题。

　　顺络电子袁聪：为应对第三代半导体高频率、大电流、低损耗的应用需求，顺络的材料研发团队已经开发多款合适的合金材料，其具有合金材料高饱和特性的同时，高频损耗已经接近铁氧体材料，在应用层面上综合来看，采用新材料的产品损耗更低。我们已经和多家第三代半导体芯片公司合作，在OBC、充电桩等大功率应用提供了完整的磁器件方案。另外，在结构上我们更推荐采用平面变压器的设计方案，高频特性、性能一致性更好，在消费工业的电源领域，平面变压器配合GaN的高频应用已经非常成熟。

　　三盛源袁永华：金属粉芯对应粉料有铁硅三代APA/超级铁硅铝APH/低损耗超级铁硅铝APH-L/超级铁镍AH-H等，粉芯类的形状除环形外，还有EE/ER/EQ/PQ/异形组合体等，磁芯损耗相应降低了40%左右。

　　东睦科达陆庆：从目前来讲，金属磁粉芯已经形成了10-100kHz为主流应用的全系列产品线。现有光伏逆变器主要功率频率为16-32kHz，主要采用气雾化铁硅铝和铁硅材质，后期在采用50-100kHz的工作频率时，可以通过调整磁粉芯的粉末颗粒，降低气雾化铁硅铝和铁硅的损耗，来适应第三代半导体器件的应用，在其他行业如100kHz-1MHz我们也有定制开发的适用于高频磁元件的超细粉粉末材料。

　　结语

　　从需求方面看，综合整机端企业观点来看，其较为看重以下几个方面的指标：

　　一是磁元件损耗。磁元件损耗在系统损耗占比约20%-30%，是除功率器件外的第二大损耗源，尤其是随着第三代半导体材料应用的不断普及，频率的提升导致磁元件损耗呈上升趋势，迫切需要磁元件，特别是磁芯或者说磁性材料能够有所突破，充分发挥第三代半导体材料的优势。

　　二是第三代半导体材料配套的研发和产品。目前其最大的限制在于磁性材料频率无法跟上第三代半导体材料的频率，主要卡在了300k Hz频率段，磁元件行业针对1M Hz和3M Hz磁性材料研发也已取得实验突破，产业层面合金材料具有合金材料高饱和特性的同时高频损耗已经接近铁氧体材料。

　　三是提前介入整机企业产品开发的方案解决能力，以及完整的生产、打样、测试和验证等软硬件资质，尤其是产品开发阶段的方案解决能力，越来越为终端企业所看重，而具备则可与整机端企业进行更深层次的绑定，这种模式也越来越受头部企业青睐。

　　四是成本或性价比。过去十年间，光伏发电成本下降近九成，目前光伏系统成本下降到9000元/千瓦，光伏发电成本下降到0.7元/度，但仍高于煤电成本，发电成本高仍是阻碍光伏发电普及的难点之一，光伏发电成本的下降也是其未来普及的主要驱动因素，性价比也是整机企业较为看中的产品指标之一。

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