将电力电子学定义为与通过静态手段将电力从其可用的输入形式有效转换、控制和调节为所需的电力输出形式有关的技术。几乎所有产生的电力都需要某种形式的转换。转换过程中的功率损失在传输和分配给最终用户的过程中以热量的形式消散，软磁材料的发展使这些损失在这段时间内大大减少。有限的计量限制了对大规模传输和分配损失的精确测量。当产生的商业电力不超过需求时，出售的电力与产生的电力之比提供了对这些损失的估计。
图中显示了1949年至2010年间美国零售市场的总发电量与未售出的百分比的比较。除了直接的经济影响，以0.0988美元/千瓦时的名义零售价格计算，损失了258亿美元的收入，这些浪费的电力也导致了额外的温室气体排放，对环境产生负面影响。这些损失推动了效率的提高，并且是总的传输、分配和转换损失的下限，因为它们不包括消费者在计费表的下游所经历的损失。能源部预计电力需求将增加30%，并估计在未来20年内使美国现有电力基础设施现代化的费用为1.5万亿美元。
这些升级和扩容提供了一个机会，可以建设和整合新的电力电子技术，以满足需求，同时减少浪费和低效率。朝着可再生能源和分布式存储系统的电网级整合的方向发展，需要新的拓扑结构来处理瞬态源并促进双向电力转换。灵活的交流输电系统（FACTS）和高压直流（HVDC）技术旨在提高电力网络的效率，并从高频转换中获益。直流发电量和负荷的增加也促使人们研究包含高频直流-直流的新拓扑结构。
功率转换器与发电方式无关，传统上用于电源核心的层状电工钢在高开关频率下变得低效。此外，电力电子学中使用的软磁材料会占据大量的空间，需要大量的冷却，并限制设计。新的大规模系统必须在成本上与现有系统有竞争力，而进一步降低成本则需要材料的进步。这些进步将决定最成功的拓扑结构，以利用材料的优势，并最大限度地减少成本。
高频开关和电源转换
软磁材料能够实现低损耗的电感开关，这在电感器、变压器和滤波器的应用中非常有用。在考虑了公式1后，电感元件的基本设计挑战变得很明显，该公式将法拉第感应定律与理想环形磁芯的电压响应联系起来，该磁芯的电感量为L，由交流电流I-osin(mt)驱动。 （1）对于恒定的最大电压U，磁导率µ，匝数（N）和有效长度L，横截面积{A）与频率成反比。这种关系促使人们使用高频开关来减少功率转换器中无源电感元件的尺寸和重量。然而，非线性材料特性限制了功率磁学的比例减少，特别是在千瓦以上功率范围的应用。一些研究探讨了这些限制，以指导变压器和电感器的设元件。相反，一个有源开关电路通过各种技术使用脉冲宽度调制来修改输入信号。
傅里叶分析将这种调制信号描述为许多频率的叠加，因此优化设计的软磁材料必须具有宽带能力。有源开关电路中使用的半导体有电压和功率的限制，高压转换器通常用多电平电路将总输出分成可管理的数量。多级电路可以改善驱动电流的谐波质量，但每一个额外的级别都是有代价的，因为半导体有相关的开关和导通损耗。新的SiC和GaN半导体比目前可用的Si器件具有更宽的带隙，从而使导通电阻大大降低。功率转换器的有源元件的低损耗允许更高的功率密度（W/m3）。虽然有几个高频转换器的设计是在没有磁铁的情况下运行的，但考虑到诸如电隔离和与气芯电感器相关的比例限制表明，有必要进一步开发先进的磁性材料。
目前，没有任何商业磁性材料能够与宽带隙的性能水平相匹配半导体。一个成功的设计可以将无源磁性材料、绕组和开关电路在给定功率输出下的综合损耗降到最低。通常情况下、损耗机制是复杂而设计者依靠的是经验而不是分析模型。磁性材料中的高频损耗主要由经典和异常电流引起的运动引起的电流。涡流通过I2R在磁性材料中的损失产生热量。对于连续运行，这种热量必须通过元件表面散去，以防止温度过高。当表面积减少而产生的热量保持不变时，就会产生规模限制。在给定的额定功率和效率下，功率密度的提高需要增加冷却时间。由于较小的部件可用的表面积减少，因此，我们可以使用软质材料。
此外，高频电源转换器很少使用纯正弦电流来驱动磁铁。在给定的形状和功率损失下，磁性材料的稳态温度上升是材料的热导率和辐射率、材料周围的局部传热条件以及暴露在这些条件下的材料表面面积的函数。缩放模型描述了在给定的设计约束条件下尺寸缩小的效果，并需要描述发热和对损失的热反应。无源元件（电感和电容）与功率转换器中的有源元件协同工作，比例关系必须考虑这两方面。我们选择环形磁芯的外径R1作为几何变量，并将内径和深度固定为0.7R1和0.3R1，这对图中所示的简单磁带绕组磁芯几何形状的比例影响。
两种相对磁导率的R-7厘米磁芯的功率损耗。低磁导率材料增加的额定功率（橙色）与额外的绕组损耗（黄色）相比，在铁芯损耗不变的情况下，效率更高（在线彩*图色**）。
时间平均的磁芯损耗由众所周知的斯坦梅茨方程公式2的变化给出，其中k、α和β是对损耗数据的经验拟合。 (2)这种损耗，通常由正弦驱动频率确定，包含了频率f下磁化变化引起的磁滞和涡流损耗。绕组产生的磁场H被铁芯中的B=µH放大。 (3)其中N是有效长度上的匝数/，Q是一个几何常数。我们假设没有直流偏压，感应的有用部分表示为 △ B=2Bm。对于单层密布的绕组，其中l=Nω，在给定的导体电阻率（p）下，绕组损失可描述为 (4)由于趋肤效应，导体截面（A）随着频率的增加而减少。增加N会降低最大驱动电流，但对于高频和功率应用、模型铁芯上的导线占据了一个面积尺寸为62的窗口，并使用了n=300股直径为d=0.2毫米的利兹导线。
我们首先考虑一种情况，即利茨线绕组以N填充中心磁芯区域，导线截面为50%的铜。为了考虑到额外的绕组层，每增加一层，每圈的长度就增加8秒。直流绕组的电阻与交流电阻相比，其阻抗很小。
较小的磁芯可能会限制可用的绕组空间。多个绕组层会因交流接近效应而导致额外的损失。通过定义这个无尺寸系数来说明这些损失，该系数与用利兹线绕制的磁芯的直流和交流电阻有关。假设斯坦梅茨方程系数在感兴趣的频率范围内是恒定的，在对数损失与频率的关系图上，铁芯损失是线性的。由于趋肤效应和邻近效应，绕组损失随着频率的增加而改变斜率。图中显示了这些损耗和一个适合7厘米和308厘米的磁芯的输出。两个阴影区域显示了两种不同相对磁导率的输出功率（VA）和总损耗之间的差异。我们假设较低和较高磁导率的磁芯损耗相同，通过降低磁导率，材料在每个周期储存更多的感应能量，但也需要更高的电流（或更多的匝数）来达到所需的感应。
对于这个模型，额外储存的电感能量大于增加的绕组损耗。如果磁芯损耗大于绕组损耗，那么低磁导率的材料就会在高频下产生效率优势，如图所示。对于体积和重量有限的应用，低磁导率也会带来高功率密度。
60千瓦直流-直流转换器具有40千瓦/分的功率密度。温升和功率损失之间的关系依赖于实验数据的推断。我们也可以根据热导率来估计材料的温升 (5)冷却系统决定了表面的传热条件，但由功率损失P产生的热量必须首先传导到通过材料内的热路径。
我们假设一个冷却系统能够在+1时从表面去除P，并使用热参数（CAT）来描述lMVA电力转换器中电感元件的最大可能效率。具有许多绕组的环形磁芯几何形状是一个挑战，因为绕组限制了磁芯的热传递。低磁导率的材料在较低的诱导下每个周期储存更多的能量，但需要更高的驱动场和增加的绕组损失。
设计师可以通过引入气隙或切割由高渗透率材料制成的磁芯来实现低渗透率的磁芯。切割后的磁芯通过缝隙周围的磁通边缘引入额外的损失，这也会在附近的导电材料中引起涡流。不良的制造技术极大地影响了切割磁芯的特性，并可能导致比预期高得多的损失。相对于驱动场方向具有低磁导率的材料是首选，以避免因切割磁芯而引起的复杂情况。具有横向于驱动场的诱导各向异性的磁芯限制了域壁运动，并在高频率下显示出低损耗。在低功率反激式转换器设计中，与间隙式铁氧体磁芯相比，采用低磁导率应力密封的Finemet磁芯，表现出更好的性能。
纳米复合芯的尺寸是铁氧体芯的一半，而产生的功率却高出333%。对于高功率、低损耗的应用，低磁导率最好通过诱导垂直于驱动场的受控各向异性来实现，这种材料表现出高磁导率和低矫顽力，沿易轴测量。因此，低频应用的优点数字包括高饱和度具有高功率比的材料必须有效地储存大量的功率。尽管由于脉冲宽度调制和所使用的占空比，储存在材料中的实际功率会有所不同，但由于大多数损耗数据都是使用这种波形发表的，所以这里假定为正弦波激励。软磁材料的损失包括静态和动态磁滞损失。为了限制大块金属合金（如硅钢）的静态磁滞损失，冶金学家试图获得大的晶粒尺寸，以尽量减少域壁钉扎，降低矫顽力，从而减少低频损失。
图中显示了不同软磁材料的功率比从10开始的情况。在高频率下性能较差的材料，如硅钢，以及高磁导率的材料，其功率比很低。粉末芯中的分布式气隙允许非常低的有效磁导率和软饱和度，这对某些应用是有益的。铁氧体也可以实现低磁导率，但其低饱和感应和热导率限制了它们在大功率转换器中的使用。纳米复合合金由沉淀在无定形基体中的纳米晶体组成，并提供一套扩展的加工尺寸，如晶粒尺寸和体积分数，以定制性能。对FINEMET类型的纳米复合合金进行了最深入的研究，因此，它们代表了图中的大多数数据点。
纳米复合材料中的最高功率比表现出低渗透性从而提高最大的潜在储存能量。在实践中，这可以通过切割磁芯以产生气隙或通过设计横向异性Finemet磁芯来实现。这种设计使用三个Finemet磁芯，占总损耗的32%。高感应的优势可以在参考文献中看到。其中一个带有Finemet磁芯的30千瓦的转换器显示出比铁氧体设计高三倍的功率密度。一个25千瓦的转换器采用了FeCo纳米复合材料核心，比基于Finemet的设计轻了399g。与以前的铁氧体设计相比，Finemet磁芯的效率提高了6%，并预测SiC开关的效率会提高。
未来的处理设计
电钢的低电阻率和铁氧体的热导率限制了它们的高频功率应用。在各种块状材料中，非晶合金和纳米晶/非晶纳米复合材料最适合于高频和高功率的应用，因为它们具有高电阻率、饱和感应和热导率的组合。在高温稳定性方面，纳米复合材料可以比非晶合金有明显的优势，使其成为长期运行的最佳选择。FeCoeompositions中无定形相的高居里温度允许减少冷却要求，并扩大了允许的设计空间。还有两个领域可以改善纳米材料的高频损耗的功率比。
复合材料涉及到通过先进的热机械或热机械来调整渗透性。通过仔细选择合金来提高电阻率。由于磁导率在优化磁芯性能方面的重要作用，已经设计了许多加工技术来控制特定磁性材料的磁导率。对退火条件的调整会产生磁滞环，其磁导率与应用场的函数恒定，直至磁芯饱和。两种典型的方法是磁场处理和应力退火，前者是在相对于磁芯轴线的平行或圆周方向施加外部磁场，后者是在结晶过程中将样品置于张力之下。
在这两种情况下，受控各向异性诱导渗透性变化，同时保持随机各向异性和低矫顽力。诱导的各向异性横跨磁场方向，限制了域壁的移动，促进了低损耗的旋转磁化变化。对于高频和高功率的应用应力诱导各向异性提出了一种有希望的方法，通过磁弹性效应来调整各向异性。然而，虽然铁基纳米复合材料的硬度得到了提高，但它们在结晶后会变得很脆。钴基复合材料显示出更好的机械性能和对横向磁场退火的巨大反应。
然而，重要的是，高频电源转换器需要的材料要少得多，并可能证明使用更昂贵的成分和加工技术是合理的。图中的应力退火材料说明了低磁导率的优点，但由于绕组的考虑，磁导率<100是不实际的。侧重于限制涡流损失的机制的研究为改善材料性能提供了最大的机会。电阻率和热导率与原子结构有关，在非晶态材料中，无序导致电子散射增加，电阻率也随之增加。纳米复合材料的成分调整可以通过影响晶粒大小进一步影响电阻率。非常高的电阻率与热导率的降低有关，这限制了铁氧体材料在高功率应用中的使用。这种热导率的限制也可能适用于基于纳米颗粒的材料方法，其中绝缘氧化相是连续的。
高压下结晶与压制有关，可以从快速凝固的无定形金属带中形成任意形状的块状部件。因此，关于大的各向同性压力对结晶的影响的大多数基本调查都集中在具有吸引力的机械性能的铝基成分上。应用压力对结晶的影响是通过所示的特定成核功（W）来描述的，它是形成临界团簇的活化能和扩散的活化能障碍之和。在经典成核理论中，临界团簇的界面能被计算为界面能与临界核总面积的乘积，而形成的体积能则由热力学驱动力（AT）、应变能（A）以及无定形相和结晶相之间的预设和摩尔体积变化的乘积组成。
结晶相的体积比非晶相低。Qq与原子迁移率有关。压力可能是影响纳米复合材料中相选择的一个有用的加工变量，通过，改变不同相的成簇能量。富含铁、钴的成分包含几个结晶相，在结晶后具有相当的自由能，而富含铁的成分中只有体心立方富含铁的纳米结晶相。压力也可能有助于通过减少成核障碍来细化晶粒尺寸。在更高的压力下，对原子移动性的限制可能会限制晶粒的生长，允许使用较少的早期过渡金属的成分，通常添加，以限制扩散。
除了各向同性的压力外，传统的冶金热轧也可以在高温度下利用大的异向应力。目前还没有发现，其中热轧技术被应用于软磁应用的熔融纺非晶带的结晶。由于在热轧过程中可以产生较大的各向异性应力，因此存在着一个潜在的机会，可以以实用和技术上的角度开发新的各向异性微结构和应力引起的磁各向异性。在富钴合金的情况下，立方和六方相的顺应性矩阵中的各向异性可能导致优先结晶，使软轴对准高应力的方向。在这些合金的纳米晶相中也发现了高密度的平面缺陷，如堆积断层，这可能在这种各向异性的热机械加工技术中提供诱导磁各向异性的独特来源。非晶带的应力退火是一个众所周知的现象，但我们无法找到有关软磁纳米复合带轧制技术的公开研究。热轧和冷轧的影响提供了一个潜在的研究机会，以确定压力对软磁特性的潜在好处。
研究总结
采用高频功率转换器进行MW规模的应用需要软磁材料的进步。这里的设计优化指出，需要具有低线性磁导率的低损耗材料，并在高频率下保持恒定。铁钴纳米复合材料是很好的选择。由于其高居里温度，对应力和现场退火的反应，以及绕带芯的良好导热性，这些应用的日期能够在高温下工作的材料具有较高的导热性，通过减少冷却要求和容忍高功率损失，扩大了允许的设计条件。