РадиоЛоцман - Все об электронике

Как рассчитать импульсный преобразователь электрической энергии? Часть 3

Журнал РАДИОЛОЦМАН, июль 2019

Александр Русу, Одесса, Украина

Часть 2

Выбор магнитопровода

В предыдущих частях было определено, что произведение средней длины магнитной линии LСР на площадь поперечного сечения S магнитопровода, фактически равное его объему V (V ≈ LСРS), должно быть больше некоторого минимального значения. В магнитопроводе накапливается преобразуемая дросселем энергия WИМП, поэтому если его физический объем будет меньше этой величины, то произойдет насыщение магнитного материала, что может привести к выходу из строя силовой части преобразователя.

В качестве материала магнитопровода выберем распыленное железо (Iron Powder), особенностями которого являются низкая цена (значит, дроссель должен получиться дешевым), высокое значение индукции насыщения (и компактным) и относительно высокое значение потерь на перемагничивание (но, к сожалению, будет «немного греться»). Можно, конечно, выбрать и другой материал – тут все зависит от особенностей конкретного приложения, опыта и предпочтений разработчика и, в первую очередь – доступности того или иного материала. В нашем техническом задании к дросселю преобразователя пока нет никаких дополнительных требований, поэтому останавливаемся на выбранном материале.

Открыв каталог одного из доступных (для автора) поставщиков сердечников для дросселей и трансформаторов, например, [10], видим, что в нем содержится информация о 13 разновидностях (смесях) этого материала. Внимательно анализируя таблицы и графики, определяем необходимые характеристики: эквивалентную магнитную проницаемость μЭКВ, индукцию насыщения ВНАС, остаточную индукцию ВR, а также объем самого маленького VMIN и самого большого VMAX магнитопровода из данной смеси, которые есть в каталоге. (Последние два параметра для расчета необязательны).

Первый неприятный сюрприз заключается в «специфической систематизации» технических характеристик. Например, в таблице «Основные параметры материалов» [10] указаны только магнитная проницаемость, плотность, относительная стоимость и цветовой код для каждой смеси. Это, безусловно, важные и нужные параметры, однако, странно, что магнитные характеристики в эту таблицу не попали. Но страшного ничего нет, ведь чуть ниже для каждой смеси приведены кривые намагничивания с нужными нам числами. Однако второй неприятный сюрприз заключается в том, что характеристики приведены не для всех материалов. Так, например, они отсутствуют для смесей -14, -19, -38, -45. Это означает, что данные материалы придется исключить из дальнейшего анализа, хотя, возможно, где-то в других источниках, например, в более поздних или более ранних версиях каталога, они приведены. По этой же причине из списка исключается смесь -30 – для нее отсутствует список доступных типоразмеров, (видимо поставщик их «не возит, потому что никто не берет»).

Рассчитаем минимально необходимый объем, например, для смеси -52. Для начала внимательно проанализируем кривые намагничивания (Рисунок 11). В отличие от рассмотренного ранее феррита N87, зависимости индукции от намагничивающей силы не имеют резких перегибов вплоть до индукции насыщения BНАС (для смеси -52 она, по сравнению с ферритом N87, достаточно высока и достигает 1.4 Тл). К сожалению, из данных характеристик (как, впрочем, и из всех остальных, приведенных в этом каталоге) совершенно неизвестно, при какой температуре они получены и как этот материал будет вести себя при повышении/понижении температуры. Возможно, для данной смеси это не имеет значения, хотя, скорее всего, что это не так.

Как рассчитать импульсный преобразователь электрической энергии?
Рисунок 11. Кривые намагничивания смеси -52 [10].

Опираясь на те данные, что есть, зададимся максимальным значением индукции в магнитопроводе BMAX так, чтобы у нас был, как минимум, 25% запас:

  (14)

Для смеси -52 величина остаточной индукции ВR = 0.15 Тл. Это означает, что при выбранном значении BMAX максимально доступный для использования размах пульсации магнитной индукции BM_MAX равен:

  (15)

При работе в граничном режиме, когда рабочий размах пульсации BM максимален (BM = BM_MAX), среднее значение магнитной индукции равно:

  (16)

Теперь по формуле (12) можно определить минимально необходимый объем магнитопровода:

  (17)

Сердечником с ближайшим большим объемом магнитопровода является самое маленькое кольцо T25-52, имеющее объем 0.06 см3. На всякий случай делаем проверку: длина средней магнитной линии этого кольца равна LСР = 1.5 см, площадь поперечного сечения – S = 0.04 см2, следовательно, произведение LСРS = 0.06 см3. Для тороидальных магнитопроводов такая проверка обычно лишняя, а вот для сердечников другой формы ее лучше проводить, поскольку объем их магнитного материала в большинстве случаев больше произведения LСРS.

Аналогично, можем рассчитать минимально необходимый объем магнитопровода, при условии, что преобразователь будет работать в безразрывном режиме с размахом пульсации индукции, как рекомендуют во многих источниках, 30% от максимального значения. В этом случае:

  (18)

и для дросселя можно выбрать кольцо T26-52 с ненамного большими размерами и объемом 0.13 см3.

Наружный диаметр колец T25-52 и T26-52 одинаков, а вот высота у последнего в два раза больше. Но это увеличение в абсолютных значениях не превышает 3 мм, поэтому выбор остается за разработчиком: или потенциально увеличить на 3 мм высоту модуля, но при этом облегчить электрические режимы всех остальных компонентов, тем самым, уменьшая потери, или в погоне за миниатюрностью ориентироваться на граничный режим работы. В первом случае следует учесть, что на плате, кроме дросселя, будут находиться еще и другие габаритные компоненты, например, электролитические конденсаторы, высота которых может быть соизмерима с размерами дросселя. Но если вы выбираете контролер, рассчитанный на работу в граничном режиме, тогда вариантов не остается, разве что для уменьшения потерь в магнитопроводе уменьшать величины BMAX и, соответственно, BM. В данном случае последуем рекомендациям опытных разработчиков старой школы и примем решение, что преобразователь будет работать в безразрывном режиме с размахом пульсации BM = 0.3BM_MAX.

Расчеты для других смесей распыленного железа выполнены аналогично, а их результаты приведены в Таблице 2, из которой видно, что наименьший объем магнитопровода будет при использовании смесей -34 или -35, однако самое маленькое кольцо из этого материала имеет объем 4.28 см3, что более чем в 60 раз больше необходимого. Из-за малого значения индукции насыщения и большой магнитной проницаемости наибольший объем требуется для смеси -18, которую, если нет других аргументов для использования, можно также исключить. Для всех оставшихся смесей (-2, -8, -26, -40, -52) минимально необходимый объем магнитопровода приблизительно одинаков, и дроссели на их основе можно будет намотать на кольцах T26-хх (где хх – номер смеси), ведь размеры колец, а, следовательно, и их объемы приблизительно одинаковы. Но в данном каталоге нет колец T26-хх из смесей -2, -40, поэтому при выборе данных материалов придется или выбирать более габаритные кольца, или не выбирать их вообще.

Таблица 2. Параметры магнитопроводов из распыленного железа [10]
Материал
(смесь)
Выбирается из каталога Задается Рассчитывается
μЭКВ ВНАС, Тл ВR, Тл VMIN…VMAX, см3 BMAX, Тл BM, Тл ВСР, Тл VMIN, см3
-2 10 0.50 0.004 0.06…734 0.38 0.11 0.32 0.11
-8 35 1.25 0.46 0.06…734 0.94 0.14 0.87 0.11
-14 14 ? ? 0.27…171        
-18 55 1.03 0.09 0.06…86.4 0.77 0.20 0.67 0.15
-19 55 ? ? 0.06…86.4        
-26 75 1.38 0.18 0.06…734 1.04 0.26 0.91 0.12
-30 22 0.97 0.02 ?        
-34 33 1.10 0.03 4.28…734 0.83 0.24 0.71 0.07
-35 33 1.10 0.03 4.28…734 0.83 0.24 0.71 0.07
-38 85 ? ? 0.36…10.7        
-40 60 1.38 0.10 0.06…734 1.04 0.28 0.89 0.09
-45 100 ? ? 0.06…10.7        
-52 75 1.40 0.15 0.06…734 1.05 0.27 0.91 0.11

Таким образом, если поставщик сможет обеспечить нужное количество колец T26-52, то дальнейшие расчеты будем проводить для этого сердечника, надеясь, что обмотки разместятся в его окне (это мы проверим в следующих частях статьи). Иначе придется искать другой магнитопровод, возможно, из другого материала и, возможно, другой формы. Очень часто, особенно при создании единичных изделий, используется совершенно другой подход: вначале анализируется «что есть в наличии на радиорынке», а уже потом проверяется «что из этого можно сделать». В любом случае методика расчета одинакова: определяем характеристики магнитного материала, задаем режим работы и после этого определяем произведение LСРS.

На этом этапе самым сложным является выбор режима работы (безразрывный, граничный) и поиск нужных характеристик материала. К сожалению, каждый производитель и дистрибьютор имеют свой подход к оформлению каталогов и прочей технической документации, логику которого понять иногда сложно, а порой и невозможно.

Так, например, в очень подробном каталоге сердечников компании Magnetics [8], в котором присутствуют даже коэффициенты аппроксимации всех видов приведенных зависимостей, в том числе и кривых намагничивания, процедура выбора магнитопровода начинается с определения эквивалента энергетической емкости дросселя (произведения индуктивности на квадрат максимального тока – LI2). После этого по графикам, один из которых приведен на Рисунке 12, для конкретного материала выбирается уже конкретный типоразмер.

Как рассчитать импульсный преобразователь электрической энергии?
Рисунок 12. Пример селектора тороидальных сердечников из молибден-пермаллоя
в каталоге компании Magnetics [8].

С одной стороны – все просто: произведение LI2 можно определить на основе известной величины преобразуемой энергии (LI2 = 2WИМП), но это справедливо лишь для граничного режима, в котором энергетическая емкость дросселя используется на 100%. Для безразрывного режима, при котором коэффициент использования сердечника меньше необходим магнитопровод с большей энергетической емкостью. Кроме того, на следующем шаге расчета по известной индуктивности L определяется количество витков, а она на данном этапе расчета нам пока не известна. Получается, что такой метод выбора изначально ограничен и подходит не ко всем приложениям, о чем в каталоге не сказано ни слова. Все это лишь лишний раз доказывает, что в методике расчета импульсных преобразователей электрической энергии все еще много «белых пятен» и нестыковок, которые необходимо постепенно и последовательно устранять.

Список источников

  1. Русу А.П. Откуда появились базовые схемы преобразователей
  2. Русу А.П. Зачем нужен трансформатор в импульсном преобразователе электрической энергии?
  3. Русу А.П. Особенности применения трансформаторов в импульсных преобразователях электрической энергии
  4. Русу А.П. В каком режиме должен работать магнитопровод дросселя импульсного преобразователя?
  5. Материалы с сайта
  6. Русу А.П. Как определить размеры магнитопровода дросселя импульсного преобразователя
  7. Русу А.П. Почему импульсные преобразователи «не любят» «легкую» нагрузку
  8. Каталог Powder Cores. – Epcos. – Magnetics. – 2017. – 112c.
  9. Ferrites and accessories. SIFERRIT material N87. – Epcos. – 2006. – 7с.
  10. Каталог сердечников из распыленного железа. – Coretech. – 2012. – 24с.
  11. Русу А.П. Почему обмотки дросселя обратноходового преобразователя могут иметь разное число витков

Продолжение

Для комментирования материалов с сайта и получения полного доступа к нашему форуму Вам необходимо зарегистрироваться.
Имя
Фрагменты обсуждения:Полный вариант обсуждения »
  • нет материалов не только потому, что не возят, но и, например, материал -26 (жёлтый сердечник) нет смысла выпускать - есть материал -52 (зелёный с синей гранью), который имеет лучшие характеристики, а изменение процесса производства порошка позволила уменьшить стоимость процесса. При изготовлении дросселей необходимо тоже самое количество витков.