חֲדָשׁוֹת

תַקצִיר

משרנים הם מרכיבים חשובים מאוד במיתוג ממירים, כגון אחסון אנרגיה ומסנני חשמל. ישנם סוגים רבים של משרנים, כגון עבור יישומים שונים (מתדר נמוך לתדר גבוה), או חומרי ליבה שונים המשפיעים על המאפיינים של המשרן, וכן הלאה. משרנים המשמשים במיתוג ממירים הם רכיבים מגנטיים בתדר גבוה. עם זאת, בשל גורמים שונים כגון חומרים, תנאי הפעלה (כגון מתח וזרם), וטמפרטורת הסביבה, המאפיינים והתיאוריות המוצגות שונות בתכלית. לכן, בתכנון המעגל, בנוסף לפרמטר הבסיסי של ערך השראות, עדיין יש לשקול את הקשר בין עכבת המשרן לבין התנגדות ותדר AC, אובדן הליבה ומאפייני זרם הרוויה וכו'. מאמר זה יציג מספר חומרי ליבת משרנים חשובים ואת המאפיינים שלהם, וכן ינחה מהנדסי כוח לבחור משרנים סטנדרטיים זמינים מסחרית.

הַקדָמָה

אינדוקטור הוא רכיב אינדוקציה אלקטרומגנטי, שנוצר על ידי סלילה של מספר מסוים של סלילים (סליל) על סליל או ליבה עם חוט מבודד. סליל זה נקרא סליל השראות או אינדוקטור. על פי עקרון האינדוקציה האלקטרומגנטית, כאשר הסליל והשדה המגנטי נעים זה ביחס לזה, או שהסליל יוצר שדה מגנטי לסירוגין באמצעות זרם חילופין, יווצר מתח מושרה כדי להתנגד לשינוי של השדה המגנטי המקורי. ומאפיין זה של ריסון השינוי הנוכחי נקרא השראות.

הנוסחה של ערך השראות היא כנוסחה (1), שהיא פרופורציונלית לחדירות המגנטית, ריבוע סיבובי הפיתול N, ושטח החתך המקביל של המעגל המגנטי Ae, והיא ביחס הפוך לאורך המעגל המגנטי המקביל le . ישנם סוגים רבים של השראות, כל אחד מתאים ליישומים שונים; השראות קשורה לצורה, לגודל, לשיטת הפיתול, למספר הסיבובים ולסוג חומר הביניים המגנטי.

(1)

בהתאם לצורת ליבת הברזל, השראות כוללת ליבה טורואידית, E ותוף; במונחים של חומר ליבת ברזל, יש בעיקר ליבות קרמיות ושני סוגים מגנטיים רכים. הם פריט ואבקה מתכתית. בהתאם למבנה או שיטת האריזה, ישנם חוטים מלופפים, רב שכבתיים ומעוצבים, ועל התיל יש לא מסוכך וחצי דבק מגנטי מוגן (חצי מוגן) ומסוכך (מוגן) וכו'.

המשרן פועל כמו קצר חשמלי בזרם ישר, ומציג עכבה גבוהה לזרם חילופין. השימושים הבסיסיים במעגלים כוללים חנק, סינון, כוונון ואחסון אנרגיה. ביישום ממיר המיתוג, המשרן הוא רכיב אחסון האנרגיה החשוב ביותר, ויוצר מסנן נמוך עם קבל המוצא כדי להפחית את אדוות מתח המוצא, כך שהוא גם ממלא תפקיד חשוב בפונקציית הסינון.

מאמר זה יציג את חומרי הליבה השונים של משרנים ואת המאפיינים שלהם, כמו גם כמה מהמאפיינים החשמליים של משרנים, כהתייחסות חשובה להערכה לבחירת משרנים במהלך תכנון המעגל. בדוגמה של היישום, כיצד לחשב את ערך השראות וכיצד לבחור משרן סטנדרטי זמין מסחרית יוצגו באמצעות דוגמאות מעשיות.

סוג חומר הליבה

משרנים המשמשים במיתוג ממירים הם רכיבים מגנטיים בתדר גבוה. חומר הליבה במרכז משפיע ביותר על המאפיינים של המשרן, כגון עכבה ותדר, ערך ותדר השראות, או מאפייני רווית הליבה. להלן נציג את ההשוואה של מספר חומרי ליבת ברזל נפוצים ומאפייני הרוויה שלהם כהתייחסות חשובה לבחירת משרני הספק:

1. ליבה קרמית

ליבה קרמית היא אחד מחומרי השראות הנפוצים. הוא משמש בעיקר כדי לספק את המבנה התומך המשמש בעת סלילה של הסליל. זה נקרא גם "משרן ליבת אוויר". מכיוון שליבת הברזל המשמשת היא חומר לא מגנטי עם מקדם טמפרטורה נמוך מאוד, ערך השראות יציב מאוד בטווח טמפרטורת הפעולה. עם זאת, בשל החומר הלא מגנטי כמדיום, השראות נמוכה מאוד, מה שלא מתאים במיוחד ליישום ממירי הספק.

2. פריט

ליבת הפריט המשמשת בדרך כלל משרנים בתדר גבוה היא תרכובת פריט המכילה אבץ ניקל (NiZn) או אבץ מנגן (MnZn), שהוא חומר פרומגנטי רך עם כוויה נמוכה. איור 1 מציג את עקומת ההיסטרזיס (לולאת BH) של ליבה מגנטית כללית. כוח הכפייה HC של חומר מגנטי נקרא גם כוח כפייה, כלומר כאשר החומר המגנטי ממוגנט לרוויה מגנטית, המגנטיזציה שלו (מגנטיזציה) מצטמצמת לאפס. עוצמת השדה המגנטי הנדרשת באותו זמן. כוויה נמוכה יותר פירושה התנגדות נמוכה יותר לדה-מגנטיזציה ומשמעותה גם אובדן היסטרזיס נמוך יותר.

לפריטים מנגן-אבץ וניקל-אבץ יש חדירות יחסית גבוהה (μr), כ-1500-15000 ו-100-1000, בהתאמה. החדירות המגנטית הגבוהה שלהם הופכת את ליבת הברזל לגבוהה יותר בנפח מסוים. השראות. עם זאת, החיסרון הוא שזרם הרוויה הנסבל שלו נמוך, וברגע שליבת הברזל תהיה רוויה, החדירות המגנטית תרד בחדות. עיין באיור 4 עבור מגמת הירידה של חדירות מגנטית של ליבות ברזל פריט ואבקת כאשר ליבת הברזל רוויה. השוואה. בשימוש במשרני כוח, יישאר פער אוויר במעגל המגנטי הראשי, שיכול להפחית את החדירות, למנוע רוויה ולאגור יותר אנרגיה; כאשר מרווח האוויר נכלל, החדירות היחסית המקבילה יכולה להיות בערך 20- בין 200. מאחר וההתנגדות הגבוהה של החומר עצמו יכולה להפחית את ההפסד הנגרם מזרם מערבולת, ההפסד נמוך יותר בתדרים גבוהים, והוא מתאים יותר ל שנאים בתדר גבוה, משרני מסנן EMI ומשרני אחסון אנרגיה של ממירי הספק. מבחינת תדר ההפעלה, ניקל-אבץ פריט מתאים לשימוש (>1 מגה-הרץ), בעוד שמנגן-אבץ-פריט מתאים לפסי תדרים נמוכים יותר (<2 מגה-הרץ).

1

איור 1. עקומת ההיסטרזיס של הליבה המגנטית (BR: remanence; BSAT: צפיפות השטף המגנטי של רוויה)

3. ליבת אבקת ברזל

ליבות אבקת ברזל הן גם חומרים פרומגנטיים רכים-מגנטיים. הם עשויים מסגסוגות אבקת ברזל מחומרים שונים או אבקת ברזל בלבד. הפורמולה מכילה חומרים לא מגנטיים בגדלים שונים של חלקיקים, ולכן עקומת הרוויה עדינה יחסית. ליבת הברזל האבקה היא בעיקר טורואידלית. איור 2 מציג את ליבת הברזל האבקה ואת מראה החתך שלה.

ליבות ברזל אבקות נפוצות כוללות סגסוגת ברזל-ניקל-מוליבדן (MPP), Sendust (Sendust), סגסוגת ברזל-ניקל (שטף גבוה) וליבה אבקת ברזל (אבקת ברזל). בגלל הרכיבים השונים, גם מאפייניו ומחיריו שונים, מה שמשפיע על בחירת המשרנים. להלן יציג את סוגי הליבה שהוזכרו לעיל וישווה את המאפיינים שלהם:

א. סגסוגת ברזל-ניקל-מוליבדן (MPP)

סגסוגת Fe-Ni-Mo מקוצרת כ-MPP, שזה הקיצור של אבקת מוליפרמלוי. החדירות היחסית היא כ-14-500, וצפיפות השטף המגנטי הרוויה היא כ-7500 גאוס (Gauss), שהיא גבוהה יותר מצפיפות השטף המגנטי הרוויה של פריט (כ-4000-5000 גאוס). רבים החוצה. ל-MPP יש את אובדן הברזל הקטן ביותר ויש לו את יציבות הטמפרטורה הטובה ביותר מבין ליבות הברזל האבקה. כאשר זרם DC החיצוני מגיע לזרם הרוויה ISAT, ערך השראות יורד באיטיות ללא הנחתה פתאומית. ל-MPP יש ביצועים טובים יותר אך עלות גבוהה יותר, והוא משמש בדרך כלל כמשרן הספק וסינון EMI עבור ממירי הספק.

ב.סנדוסט

ליבת הברזל מסגסוגת ברזל-סיליקון-אלומיניום היא ליבת ברזל מסגסוגת המורכבת מברזל, סיליקון ואלומיניום, עם חדירות מגנטית יחסית של כ-26 עד 125. איבוד הברזל הוא בין ליבת אבקת הברזל לבין MPP וסגסוגת ברזל-ניקל. . צפיפות השטף המגנטי הרוויה גבוהה מ-MPP, בערך 10500 גאוס. מאפייני יציבות הטמפרטורה ורוויה נחותים במקצת מ-MPP וסגסוגת ברזל-ניקל, אך טובים יותר מליבת אבקת ברזל וליבת פריט, והעלות היחסית זולה יותר מ-MPP וסגסוגת ברזל-ניקל. הוא משמש בעיקר במעגלי סינון EMI, תיקון גורם הספק (PFC) ומשרני הספק של ממירי הספק מיתוג.

ג. סגסוגת ברזל ניקל (שטף גבוה)

ליבת סגסוגת ברזל ניקל עשויה מברזל וניקל. החדירות המגנטית היחסית היא בערך 14-200. אובדן הברזל ויציבות הטמפרטורה הם בין MPP לבין סגסוגת ברזל-סיליקון-אלומיניום. לליבה של סגסוגת ברזל ניקל יש את צפיפות השטף המגנטי הרוויה הגבוהה ביותר, כ-15,000 גאוס, והיא יכולה לעמוד בפני זרמי הטיית DC גבוהים יותר, ומאפייני הטיית DC שלה טובים יותר. היקף יישום: תיקון גורם הספק פעיל, השראות אחסון אנרגיה, השראות מסנן, שנאי בתדר גבוה של ממיר פלייבק וכו'.

ד אבקת ברזל

ליבת אבקת הברזל עשויה מחלקיקי אבקת ברזל בטוהר גבוה עם חלקיקים קטנים מאוד המבודדים זה מזה. תהליך הייצור גורם לו למרווח אוויר מבוזר. בנוסף לצורת הטבעת, לצורות ליבת אבקת הברזל הנפוצות יש גם סוג E וסוגי הטבעה. החדירות המגנטית היחסית של ליבת אבקת הברזל היא בערך 10 עד 75, וצפיפות השטף המגנטי הרוויה הגבוהה היא בערך 15000 גאוס. מבין ליבות הברזל האבקה, ליבת אבקת הברזל היא בעלת אובדן הברזל הגבוה ביותר אך העלות הנמוכה ביותר.

איור 3 מציג את עקומות ה-BH של PC47 מנגן-אבץ פריט המיוצר על ידי TDK וליבות ברזל אבקות -52 ו-2 המיוצרות על ידי MICROMETALS; החדירות המגנטית היחסית של מנגן-אבץ פריט גבוהה בהרבה מזו של ליבות ברזל אבקת והיא רוויה. גם צפיפות השטף המגנטי שונה מאוד, הפריט הוא בערך 5000 גאוס וליבת אבקת הברזל היא יותר מ-10000 גאוס.

3

איור 3. עקומת BH של פריט מנגן-אבץ ואבקת ברזל מחומרים שונים

לסיכום, מאפייני הרוויה של ליבת הברזל שונים; לאחר חריגה מזרם הרוויה, החדירות המגנטית של ליבת הפריט תרד בחדות, בעוד שליבת אבקת הברזל יכולה לרדת באיטיות. איור 4 מציג את מאפייני נפילת החדירות המגנטית של ליבת ברזל אבקת עם אותה חדירות מגנטית ופריט עם מרווח אוויר תחת עוצמות שדה מגנטי שונות. זה גם מסביר את השראות של ליבת הפריט, מכיוון שהחדירות יורדת בחדות כאשר הליבה רוויה, כפי שניתן לראות ממשוואה (1), זה גם גורם לירידה חדה של השראות; ואילו ליבת האבקה עם מרווח אוויר מבוזר, החדירות המגנטית הקצב יורד באיטיות כאשר ליבת הברזל רוויה, כך שההשראות יורדת בעדינות יותר, כלומר, יש לה מאפייני הטיית DC טובים יותר. ביישום ממירי הספק, מאפיין זה חשוב מאוד; אם מאפיין הרוויה האיטי של המשרן אינו טוב, זרם המשרן עולה לזרם הרוויה, והירידה הפתאומית בהשראות תגרום למתח הזרם של גביש המיתוג לעלות בחדות, דבר שקל לגרום לנזק.

4

איור 4. מאפייני נפילת חדירות מגנטית של ליבת ברזל אבקת וליבת ברזל פריט עם מרווח אוויר תחת חוזק שדה מגנטי שונה.

מאפיינים חשמליים של משרן ומבנה החבילה

בעת תכנון ממיר מיתוג ובחירת משרן, ערך השראות L, עכבה Z, התנגדות AC ACR וערך Q (גורם איכות), זרם נקוב IDC ו-ISAT, ואובדן הליבה (איבוד ליבה) ומאפיינים חשמליים חשובים אחרים הם כולם חייבים להיחשב. בנוסף, מבנה האריזה של המשרן ישפיע על גודל הדליפה המגנטית, אשר בתורה משפיעה על EMI. להלן נדון במאפיינים הנ"ל בנפרד כשיקולים לבחירת משרנים.

1. ערך השראות (L)

ערך השראות של משרן הוא הפרמטר הבסיסי החשוב ביותר בתכנון המעגל, אך יש לבדוק האם ערך השראות יציב בתדר ההפעלה. הערך הנומינלי של השראות נמדד בדרך כלל ב-100 קילו-הרץ או 1 מגה-הרץ ללא הטיית DC חיצונית. וכדי להבטיח את האפשרות לייצור אוטומטי המוני, הסובלנות של המשרן היא בדרך כלל ±20% (M) ו-±30% (N). איור 5 הוא הגרף המאפיין השראות-תדר של משרן Taiyo Yuden NR4018T220M שנמדד עם מד LCR של וויין קר. כפי שמוצג באיור, עקומת ערך השראות שטוחה יחסית לפני 5 מגה-הרץ, וכמעט ניתן להתייחס לערך השראות כקבוע. בפס התדרים הגבוהים עקב התהודה הנוצרת מהקיבול וההשראות הטפיליות, ערך השראות יגדל. תדר תהודה זה נקרא תדר תהודה עצמית (SRF), אשר בדרך כלל צריך להיות גבוה בהרבה מתדר ההפעלה.

5

איור 5, דיאגרמת מדידה אופיינית של תדר השראות-תדר של Taiyo Yuden NR4018T220M

2. עכבה (Z)

כפי שמוצג באיור 6, ניתן לראות את דיאגרמת העכבה גם מביצועי השראות בתדרים שונים. העכבה של המשרן היא פרופורציונלית בערך לתדר (Z=2πfL), כך שככל שהתדר גבוה יותר, התגובה תהיה גדולה בהרבה מהתנגדות AC, כך שהעכבה מתנהגת כמו השראות טהורה (הפאזה היא 90˚). בתדרים גבוהים, בשל אפקט הקיבול הטפילי, ניתן לראות את נקודת התדר העצמי של העכבה. לאחר נקודה זו, העכבה יורדת והופכת לקיבולית, והפאזה משתנה בהדרגה ל-90 ˚.

6

3. ערך Q והתנגדות AC (ACR)

ערך Q בהגדרת השראות הוא היחס בין התגובה להתנגדות, כלומר היחס בין החלק הדמיוני לחלק האמיתי של העכבה, כמו בנוסחה (2).

(2)

כאשר XL היא התגובה של המשרן, ו-RL היא התנגדות ה-AC של המשרן.

בטווח התדרים הנמוכים, התנגדות ה-AC גדולה מהתגובה הנגרמת על ידי השראות, ולכן ערך ה-Q שלה נמוך מאוד; ככל שהתדר גדל, התגובה (בערך 2πfL) נעשית גדולה יותר ויותר, גם אם ההתנגדות עקב אפקט העור (אפקט העור) והשפעת הקרבה (קרבה) האפקט הופך גדול יותר ויותר, וערך Q עדיין גדל עם התדירות ; כאשר מתקרבים ל-SRF, התגובה האינדוקטיבית מתקזזת בהדרגה על ידי התגובה הקיבולית, וערך ה-Q קטן בהדרגה; כאשר ה-SRF הופך לאפס, כי התגובה האינדוקטיבית והתגובה הקיבולית זהות לחלוטין. איור 7 מציג את הקשר בין ערך Q לתדירות של NR4018T220M, והקשר הוא בצורת פעמון הפוך.

7

איור 7. הקשר בין ערך Q לתדר של משרן Taiyo Yuden NR4018T220M

בפס תדר היישום של השראות, ככל שערך Q גבוה יותר, כך טוב יותר; זה אומר שהתגובתיות שלו גדולה בהרבה מהתנגדות AC. באופן כללי, ערך ה-Q הטוב ביותר הוא מעל 40, מה שאומר שהאיכות של המשרן טובה. עם זאת, בדרך כלל ככל שהטיית DC גדלה, ערך השראות יקטן וערך ה-Q יקטן גם הוא. אם משתמשים בחוט אמייל שטוח או בחוט אמייל רב-גדילי, ניתן להפחית את אפקט העור, כלומר התנגדות AC, ולהגדיל גם את ערך ה-Q של המשרן.

התנגדות DC DCR נחשבת בדרך כלל כהתנגדות DC של חוט הנחושת, וניתן לחשב את ההתנגדות לפי קוטר ואורך החוט. עם זאת, רוב משרני SMD עם זרם נמוך ישתמשו בריתוך קולי כדי ליצור את יריעת הנחושת של ה-SMD במסוף המתפתל. עם זאת, מכיוון שחוט הנחושת אינו ארוך באורך וערך ההתנגדות אינו גבוה, התנגדות הריתוך מהווה לרוב חלק ניכר מההתנגדות הכוללת של DC. אם ניקח לדוגמא את משרן ה-SMD המפותל בחוט CLF6045NIT-1R5N של TDK, התנגדות ה-DC הנמדדת היא 14.6mΩ, והתנגדות ה-DC המחושבת על סמך קוטר ואורך החוט היא 12.1mΩ. התוצאות מראות שהתנגדות ריתוך זו מהווה כ-17% מההתנגדות הכוללת של DC.

התנגדות AC ל-ACR יש אפקט עור והשפעת קרבה, מה שיגרום ל-ACR לעלות עם התדירות; ביישום השראות כללית, מכיוון שרכיב ה-AC נמוך בהרבה ממרכיב ה-DC, ההשפעה הנגרמת על ידי ACR אינה ברורה; אבל בעומס קל, מכיוון שרכיב ה-DC מצטמצם, לא ניתן להתעלם מההפסד שנגרם על ידי ACR. המשמעות של אפקט העור היא שבתנאי AC, חלוקת הזרם בתוך המוליך אינה אחידה ומרוכזת על פני החוט, וכתוצאה מכך הקטנה בשטח החתך המקביל של החוט, אשר בתורו מגדיל את ההתנגדות המקבילה של החוט עם תֶדֶר. בנוסף, בפיתול תיל, חוטים סמוכים יגרמו לחיבור וחיסור של שדות מגנטיים עקב הזרם, כך שהזרם מרוכז על פני השטח הסמוכים לחוט (או המשטח הרחוק ביותר, תלוי בכיוון הזרם. ), מה שגורם גם ליירוט חוט שווה ערך. התופעה שהשטח פוחת וההתנגדות המקבילה עולה היא מה שנקרא אפקט הקרבה; ביישום השראות של סלילה רב שכבתית, אפקט הקרבה ברור עוד יותר.

8

איור 8 מראה את הקשר בין התנגדות AC ותדירות של משרן SMD NR4018T220M המפותל בחוט. בתדר של 1kHz, ההתנגדות היא כ-360mΩ; ב-100kHz, ההתנגדות עולה ל-775mΩ; ב-10MHz, ערך ההתנגדות קרוב ל-160Ω. בעת אומדן אובדן הנחושת, החישוב חייב לשקול את ה-ACR שנגרם על ידי השפעות העור והקרבה, ולשנות אותו לנוסחה (3).

4. זרם רוויה (ISAT)

זרם הרוויה ISAT הוא בדרך כלל זרם ההטיה המסומן כאשר ערך השראות מוחלש כגון 10%, 30% או 40%. עבור פריט מרווח אוויר, מכיוון שמאפיין זרם הרוויה שלו מהיר מאוד, אין הבדל רב בין 10% ל-40%. עיין באיור 4. עם זאת, אם מדובר בליבת אבקת ברזל (כגון משרן מוטבע), עקומת הרוויה עדינה יחסית, כפי שמוצג באיור 9, זרם ההטיה ב-10% או 40% מהנחתת השראות הוא רב שונה, ולכן ערך זרם הרוויה יידון בנפרד עבור שני סוגי ליבות הברזל כדלקמן.

עבור פריט מרווח אוויר, סביר להשתמש ב-ISAT כגבול העליון של זרם המשרן המרבי עבור יישומי מעגל. עם זאת, אם מדובר בליבת אבקת ברזל, בגלל מאפיין הרוויה האיטי, לא תהיה בעיה גם אם הזרם המרבי של מעגל היישום חורג מ-ISAT. לכן, מאפיין ליבת ברזל זה מתאים ביותר להחלפת יישומי ממיר. תחת עומס כבד, למרות שערך השראות של המשרן נמוך, כפי שמוצג באיור 9, מקדם האדוות הנוכחי גבוה, אך סובלנות הזרם של הקבל הנוכחי גבוהה, כך שלא תהיה בעיה. בעומס קל, ערך השראות של המשרן גדול יותר, מה שעוזר להפחית את זרם האדוות של המשרן, ובכך להפחית את אובדן הברזל. איור 9 משווה את עקומת זרם הרוויה של פריט הפצע SLF7055T1R5N של TDK ושל משרן ליבת אבקת ברזל מוטבעת SPM6530T1R5M תחת אותו ערך נומינלי של השראות.

9

איור 9. עקומת זרם הרוויה של פריט פצע וליבת אבקת ברזל משובצת תחת אותו ערך נומינלי של השראות

5. זרם מדורג (IDC)

ערך IDC הוא הטיית DC כאשר טמפרטורת המשרן עולה ל- Tr˚C. המפרט גם מציין את ערך התנגדות DC שלו RDC ב-20˚C. לפי מקדם הטמפרטורה של חוט הנחושת הוא כ-3,930 ppm, כאשר הטמפרטורה של Tr עולה, ערך ההתנגדות שלו הוא RDC_Tr = RDC (1+0.00393Tr), וצריכת החשמל שלו היא PCU = I2DCxRDC. אובדן נחושת זה מתפזר על פני המשרן, וניתן לחשב את ההתנגדות התרמית ΘTH של המשרן:

(2)

טבלה 2 מתייחסת לגיליון הנתונים של סדרת TDK VLS6045EX (6.0×6.0×4.5mm), ומחשבת את ההתנגדות התרמית בעליית טמפרטורה של 40˚C. ברור, עבור משרנים מאותה סדרה וגודל, ההתנגדות התרמית המחושבת כמעט זהה בגלל אותו אזור פיזור חום פני השטח; במילים אחרות, ניתן להעריך את זרם ה-IDC המדורג של משרנים שונים. לסדרות (חבילות) שונות של משרנים יש התנגדויות תרמיות שונות. טבלה 3 משווה את ההתנגדות התרמית של משרנים מסדרת TDK VLS6045EX (ממוגן למחצה) וסדרת SPM6530 (יצוקה). ככל שההתנגדות התרמית גדולה יותר, כך עליית הטמפרטורה הנוצרת כאשר השראות זורמת דרך זרם העומס גבוהה יותר; אחרת, הנמוך יותר.

(2)

טבלה 2. התנגדות תרמית של משרנים מסדרת VLS6045EX בעליית טמפרטורה של 40˚C

ניתן לראות מטבלה 3 שגם אם גודל המשרזים דומה, ההתנגדות התרמית של המשרנים המוטבעים נמוכה, כלומר פיזור החום טוב יותר.

(3)

טבלה 3. השוואה בין התנגדות תרמית של משרני חבילה שונים.

6. אובדן ליבה

אובדן הליבה, המכונה אובדן ברזל, נגרם בעיקר מאובדן זרם מערבולת ואובדן היסטרזיס. גודל אובדן זרם המערבולת תלוי בעיקר אם חומר הליבה קל ל"התנהלות"; אם המוליכות גבוהה, כלומר, ההתנגדות נמוכה, אובדן זרם המערבולת גבוה, ואם ההתנגדות של הפריט גבוהה, אובדן זרם המערבולת נמוך יחסית. אובדן זרם מערבולת קשור גם לתדירות. ככל שהתדירות גבוהה יותר, כך אובדן זרם המערבולת גדול יותר. לכן, חומר הליבה יקבע את תדירות הפעולה הנכונה של הליבה. באופן כללי, תדר העבודה של ליבת אבקת ברזל יכול להגיע ל-1MHz, ותדר העבודה של פריט יכול להגיע ל-10MHz. אם תדר ההפעלה עולה על תדר זה, אובדן זרם המערבולת יגדל במהירות וגם טמפרטורת ליבת הברזל תגדל. עם זאת, עם ההתפתחות המהירה של חומרי ליבת ברזל, ליבות ברזל עם תדרי פעולה גבוהים יותר צריכות להיות ממש מעבר לפינה.

איבוד ברזל נוסף הוא אובדן ההיסטרזיס, שהוא פרופורציונלי לשטח המוקף בעקומת ההיסטרזיס, הקשור לאמפליטודת התנופה של רכיב ה-AC של הזרם; ככל שתנופת ה-AC גדולה יותר, כך אובדן ההיסטרזיס גדול יותר.

במעגל המקביל של משרן, לרוב משתמשים בנגד המחובר במקביל למשרן כדי לבטא את אובדן הברזל. כאשר התדר שווה ל-SRF, התגובה האינדוקטיבית והתגובה הקיבולית מתבטלת, והתגובה המקבילה היא אפס. בשלב זה, העכבה של המשרן שווה להתנגדות אובדן הברזל בסדרה עם התנגדות הפיתול, והתנגדות אובדן הברזל גדולה בהרבה מהתנגדות הפיתול, כך שהעכבה ב-SRF שווה בערך להתנגדות אובדן הברזל. אם ניקח לדוגמא משרן מתח נמוך, ההתנגדות שלו לאובדן ברזל היא בערך 20kΩ. אם מתח הערך האפקטיבי בשני קצוות המשרן מוערך ב-5V, אובדן הברזל שלו הוא כ-1.25mW, מה שגם מראה שככל שההתנגדות לאיבוד הברזל גדולה יותר, כך טוב יותר.

7. מבנה מגן

מבנה האריזה של משרני פריט כולל לא ממוגנים, ממוגנים למחצה בדבק מגנטי ומסוככים, ויש פער אוויר ניכר בכל אחד מהם. ברור שלפער האוויר תהיה דליפה מגנטית, ובמקרה הגרוע הוא יפריע למעגלי האותות הקטנים שמסביב, או אם יש חומר מגנטי בקרבת מקום, גם השראות שלו תשתנה. מבנה אריזה נוסף הוא משרן אבקת ברזל מוטבע. מכיוון שאין פער בתוך המשרן והמבנה המתפתל מוצק, הבעיה של פיזור השדה המגנטי קטנה יחסית. איור 10 הוא השימוש בפונקציית FFT של אוסילוסקופ RTO 1004 למדידת גודל השדה המגנטי הדליפה ב-3 מ"מ מעל ובצד המשרן המוטבע. טבלה 4 מפרטת את ההשוואה בין השדה המגנטי הדליפה של משרני מבנה חבילה שונים. ניתן לראות כי למשרנים לא ממוגנים יש את הדליפה המגנטית החמורה ביותר; למשרנים מוטבעים יש את הדליפה המגנטית הקטנה ביותר, המציגים את אפקט המיגון המגנטי הטוב ביותר. . ההבדל בגודל השדה המגנטי הדליפה של המשרנים של שני מבנים אלה הוא בערך 14dB, שהם כמעט פי 5.

10

איור 10. גודל השדה המגנטי הדליפה נמדד ב-3 מ"מ מעל ובצד המשרן המוטבע

(4)

טבלה 4. השוואה של שדה מגנטי דליפה של משרני מבנה חבילה שונים

8. צימוד

בחלק מהיישומים, לפעמים יש מספר סטים של ממירי DC על ה-PCB, שבדרך כלל מסודרים זה ליד זה, והמשרנים המתאימים להם מסודרים אף הם זה ליד זה. אם אתה משתמש בסוג לא ממוגן או ממוגן למחצה עם דבק מגנטי, משרנים עשויים להיות מחוברים זה לזה כדי ליצור הפרעות EMI. לכן, בהצבת המשרן, מומלץ לסמן תחילה את הקוטביות של המשרן, ולחבר את נקודת ההתחלה והפיתול של השכבה הפנימית ביותר של המשרן למתח המיתוג של הממיר, כמו VSW של ממיר באק, שהיא הנקודה הנעה. מסוף היציאה מחובר לקבל המוצא, שהוא הנקודה הסטטית; פיתול חוט הנחושת יוצר אפוא מידה מסוימת של מיגון שדה חשמלי. בסידור החיווט של המרבה, תיקון הקוטביות של השראות עוזר לתקן את גודל השראות ההדדית ולהימנע מבעיות EMI בלתי צפויות.

יישומים:

הפרק הקודם דן בחומר הליבה, במבנה החבילה ובמאפיינים החשמליים החשובים של המשרן. פרק זה יסביר כיצד לבחור את ערך השראות המתאים של ממיר הבאק ואת השיקולים לבחירת משרן זמין מסחרית.

כפי שמוצג במשוואה (5), ערך המשרן ותדירות המיתוג של הממיר ישפיעו על זרם האדוות של המשרן (ΔiL). זרם האדוות של המשרן יזרום דרך קבל המוצא וישפיע על זרם האדוות של קבל המוצא. לכן, זה ישפיע על בחירת קבל המוצא וישפיע עוד יותר על גודל האדוות של מתח המוצא. יתר על כן, ערך השראות וערך קיבול המוצא ישפיעו גם על עיצוב המשוב של המערכת ועל התגובה הדינמית של העומס. בחירת ערך השראות גדול יותר מביאה פחות מתח זרם על הקבל, והיא גם מועילה להפחתת אדוות מתח המוצא ויכולה לאגור יותר אנרגיה. עם זאת, ערך השראות גדול יותר מצביע על נפח גדול יותר, כלומר עלות גבוהה יותר. לכן, בעת תכנון הממיר, עיצוב ערך השראות חשוב מאוד.

(5)

ניתן לראות מנוסחה (5) שכאשר הפער בין מתח הכניסה למתח המוצא גדול יותר, זרם האדוות של המשרן יהיה גדול יותר, שזה המצב הגרוע ביותר של תכנון המשרן. יחד עם ניתוח אינדוקטיבי אחר, יש לבחור בדרך כלל את נקודת תכנון השראות של ממיר ההורדה בתנאים של מתח כניסה מרבי ועומס מלא.

כאשר מתכננים את ערך השראות, יש צורך לבצע פשרה בין זרם אדוות המשרן לגודל המשרן, וגורם זרם האדוות (גורם זרם אדווה; γ) מוגדר כאן, כמו בנוסחה (6).

（6）

בהחלפת נוסחה (6) בנוסחה (5), ניתן לבטא את ערך השראות כנוסחה (7).

（7）

על פי נוסחה (7), כאשר ההפרש בין מתח הקלט למתח המוצא גדול יותר, ניתן לבחור את ערך γ גדול יותר; להיפך, אם מתח הקלט והמוצא קרובים יותר, עיצוב ערך γ חייב להיות קטן יותר. על מנת לבחור בין זרם אדוות המשרן לבין הגודל, לפי ערך חווית העיצוב המסורתי, γ הוא בדרך כלל 0.2 עד 0.5. להלן לוקחים את RT7276 כדוגמה כדי להמחיש את חישוב השראות ואת הבחירה של משרנים זמינים מסחרית.

דוגמה לעיצוב: תוכנן עם RT7276 מתקדם ב-Time On-Time (Advanced Constant On-Time; ACOTTM) ממיר תיקון ירידה סינכרוני, תדר המיתוג שלו הוא 700 קילו-הרץ, מתח הכניסה הוא 4.5V עד 18V, ומתח המוצא הוא 1.05V . זרם העומס המלא הוא 3A. כפי שהוזכר לעיל, יש לתכנן את ערך השראות בתנאים של מתח הכניסה המרבי של 18V והעומס המלא של 3A, הערך של γ נלקח כ-0.35, והערך הנ"ל מוחלף במשוואה (7), השראות. הערך הוא

השתמש במשרן עם ערך השראות נומינלי קונבנציונלי של 1.5 µH. החלף נוסחה (5) כדי לחשב את זרם אדוות המשרן באופן הבא.

לכן, זרם השיא של המשרן הוא

והערך האפקטיבי של זרם המשרן (IRMS) הוא

מכיוון שרכיב אדוות המשרן קטן, הערך האפקטיבי של זרם המשרן הוא בעיקר רכיב ה-DC שלו, וערך אפקטיבי זה משמש כבסיס לבחירת זרם נקוב המשרן IDC. עם תכנון 80% הורדה (הורדה), דרישות השראות הן:

L = 1.5 µH (100 קילו-הרץ), IDC = 3.77 A, ISAT = 4.34 A

טבלה 5 מפרטת את המשרנים הזמינים של סדרות שונות של TDK, דומות בגודלן אך שונות במבנה החבילה. ניתן לראות מהטבלה כי זרם הרוויה והזרם הנקוב של המשרן המוטבע (SPM6530T-1R5M) גדולים, וההתנגדות התרמית קטנה ופיזור החום טוב. בנוסף, על פי הדיון בפרק הקודם, חומר הליבה של המשרן המוטבע הוא ליבת אבקת ברזל, ולכן הוא מושווה לליבת הפריט של המשראות הממוגנים למחצה (VLS6045EX-1R5N) והמסוככים (SLF7055T-1R5N). עם דבק מגנטי. , בעל מאפייני הטיית DC טובים. איור 11 מראה את השוואת היעילות של משרנים שונים המיושמים על ממיר ירידה מטה של ​​תיקון קבוע בזמן RT7276. התוצאות מראות שההבדל ביעילות בין השלושה אינו משמעותי. אם אתה מחשיב פיזור חום, מאפייני הטיית DC ובעיות של פיזור שדה מגנטי, מומלץ להשתמש במשרני SPM6530T-1R5M.

（5）

טבלה 5. השוואה בין השראות של סדרות שונות של TDK

11

איור 11. השוואה של יעילות הממיר עם משרנים שונים

אם תבחר באותו מבנה חבילה וערך השראות, אבל משרנים בגודל קטן יותר, כגון SPM4015T-1R5M (4.4×4.1×1.5mm), למרות שגודלו קטן, אבל התנגדות DC RDC (44.5mΩ) והתנגדות תרמית ΘTH ( 51˚C) /W) גדול יותר. עבור ממירים מאותו מפרט, הערך האפקטיבי של הזרם שנסבל על ידי המשרן זהה אף הוא. ברור שהתנגדות DC תפחית את היעילות תחת עומס כבד. בנוסף, התנגדות תרמית גדולה פירושה פיזור חום לקוי. לכן, בעת בחירת משרן, יש צורך לא רק לשקול את היתרונות של גודל מופחת, אלא גם להעריך את החסרונות הנלווים לו.

לסיכום

השראות היא אחד הרכיבים הפסיביים הנפוצים במיתוג ממירי הספק, שיכולים לשמש לאחסון וסינון אנרגיה. עם זאת, בתכנון מעגלים, זה לא רק ערך השראות שצריך לשים לב אליו, אלא פרמטרים אחרים, כולל התנגדות AC וערך Q, סובלנות זרם, רוויית ליבות ברזל, ומבנה החבילה וכו', הם כולם פרמטרים שחייבים יש לקחת בחשבון בעת ​​בחירת משרן. . פרמטרים אלו קשורים בדרך כלל לחומר הליבה, לתהליך הייצור ולגודל ולעלות. לכן, מאמר זה מציג את המאפיינים של חומרי ליבת ברזל שונים וכיצד לבחור השראות מתאימה כאסמכתא לתכנון ספק כוח.