124

חֲדָשׁוֹת

סיכום

משרנים הם מרכיבים חשובים מאוד בממירי מיתוג, כגון אחסון אנרגיה ומסנני חשמל. ישנם סוגים רבים של משרנים, כגון ליישומים שונים (מתדירות נמוכה לתדירות גבוהה), או חומרי ליבה שונים המשפיעים על מאפייני המשרן, וכן הלאה. משרנים המשמשים לממירי מיתוג הם רכיבים מגנטיים בתדירות גבוהה. עם זאת, בשל גורמים שונים כגון חומרים, תנאי הפעלה (כגון מתח וזרם) וטמפרטורת הסביבה, המאפיינים והתיאוריות המוצגים שונים לחלוטין. לכן, בתכנון המעגל, בנוסף לפרמטר הבסיסי של ערך ההשראות, עדיין יש לקחת בחשבון את הקשר בין עכבת המשרן לבין התנגדות AC ותדר, אובדן הליבה ומאפייני זרם הרוויה וכו '. מאמר זה יציג כמה חומרי ליבה משרנים חשובים ומאפייניהם, וינחה גם את מהנדסי הכוח לבחור משרנים סטנדרטיים זמינים מסחרית.

הַקדָמָה

משרן הוא רכיב אינדוקציה אלקטרומגנטי, אשר נוצר על ידי סלילת מספר מסוים של סלילים (סליל) על סליל או ליבה בעזרת חוט מבודד. סליל זה נקרא סליל אינדוקציה או משרן. על פי עקרון האינדוקציה האלקטרומגנטית, כאשר הסליל והשדה המגנטי נעים זה בזה, או שהסליל מייצר שדה מגנטי מתחלף באמצעות זרם חילופין, ייווצר מתח המושרה כדי להתנגד לשינוי השדה המגנטי המקורי, ומאפיין זה של ריסון השינוי הנוכחי נקרא השראות.

הנוסחה של ערך ההשראות היא כנוסחה (1), שהיא פרופורציונאלית לחדירות המגנטית, ריבוע הסיבוב מסתובב ל- N, ושטח החתך של מעגל מגנטי מקביל Ae, והוא פרופורציונלי הפוך לאורך המעגל המגנטי המקביל . ישנם סוגים רבים של השראות, כל אחד מתאים ליישומים שונים; ההשראות קשורה לצורה, גודל, שיטת סלילה, מספר סיבובים וסוג החומר המגנטי הבינוני.

图片1

(1)

בהתאם לצורת ליבת הברזל, ההשראה כוללת טורואידלי, ליבת E ותוף; מבחינת חומר ליבת ברזל, ישנם בעיקר ליבות קרמיות ושני סוגים מגנטיים רכים. הם פריטה ואבקת מתכת. תלוי במבנה או בשיטת האריזה, יש חוט פצוע, רב שכבתי ועוצב, ולפצע החוט לא מוגן ומחצית דבק מגנטי מוגן (מסוכך למחצה) ומסוכך (מסוכך) וכו '.

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

מאמר זה יציג את חומרי הליבה השונים של המשרנים ואת מאפייניהם, כמו גם כמה מהמאפיינים החשמליים של המשרנים, כנקודת התייחסות חשובה לבחירת משרנים במהלך תכנון המעגל. בדוגמת היישום, כיצד לחשב את ערך ההשראות וכיצד לבחור משרן סטנדרטי זמין מסחרית, יוצג באמצעות דוגמאות מעשיות.

סוג חומר הליבה

משרנים המשמשים לממירי מיתוג הם רכיבים מגנטיים בתדירות גבוהה. חומר הליבה במרכז משפיע ביותר על מאפייני המשרן, כגון עכבה ותדירות, ערך השראות ותדר, או מאפייני רוויית הליבה. להלן נציג את ההשוואה בין כמה חומרי ליבה ברזל נפוצים לבין מאפייני הרוויה שלהם כהתייחסות חשובה לבחירת משרני כוח:

1. ליבה קרמית

ליבת קרמיקה היא אחד מחומרי ההשראות הנפוצים. זה משמש בעיקר כדי לספק את המבנה התומך המשמש בעת סלילת הסליל. זה נקרא גם "משרן ליבת אוויר". מכיוון שליבת הברזל המשמשת היא חומר שאינו מגנטי עם מקדם טמפרטורה נמוך מאוד, ערך ההשראות יציב מאוד בתחום טמפרטורת הפעולה. עם זאת, בגלל החומר הלא מגנטי כמדיום, ההשראות נמוכה מאוד, מה שלא מתאים במיוחד ליישום ממירי הספק.

2. פריט

ליבת הפריט המשמשת במשרנים בתדירות גבוהה כללית היא תרכובת פרית המכילה אבץ ניקל (NiZn) או אבץ מנגן (MnZn), שהוא חומר פרומגנטי מגנטי רך בעל כפייה נמוכה. איור 1 מציג את עקומת ההיסטרזה (לולאת BH) של ליבה מגנטית כללית. כוח הכפייה HC של חומר מגנטי נקרא גם כוח כפייה, כלומר כאשר החומר המגנטי הומגנט לרוויה מגנטית, המגנטיזציה שלו (מגנטיזציה) מצטמצמת לאפס עוצמת השדה המגנטי הנדרש באותה עת. כפייה נמוכה יותר משמעותה עמידות נמוכה יותר נגד דה-מגנטיזציה ומשמעותה גם אובדן היסטריה נמוך יותר.

פריטים מנגן-אבץ וניקל-אבץ הם בעלי חדירות יחסית גבוהה יחסית (μr), בערך 1500-15000 ו- 100-1000 בהתאמה. החדירות המגנטית הגבוהה שלהם הופכת את ליבת הברזל גבוהה יותר בנפח מסוים. ההשראות. עם זאת, החיסרון הוא שזרם הרוויה הנסבל שלו נמוך, וברגע שליבת הברזל תהיה רוויה, החדירות המגנטית תרד בחדות. עיין באיור 4 למגמת הפחתה של חדירות מגנטית של ליבות פריט ואבקת ברזל כאשר ליבת הברזל רוויה. השוואה. כאשר משתמשים במשרני כוח, יישאר פער אוויר במעגל המגנטי הראשי, מה שיכול להפחית את החדירות, למנוע רוויה ולאחסן יותר אנרגיה; כאשר כלול פער האוויר, החדירות היחסית המקבילה יכולה להיות בערך 20- בין 200. מכיוון שההתנגדות הגבוהה של החומר עצמו יכולה להפחית את האובדן שנגרם על ידי זרם אדי, ההפסד נמוך בתדרים גבוהים, והוא מתאים יותר שנאים בתדרים גבוהים, משרני פילטר EMI ומשרני אחסון אנרגיה של ממירי הספק. מבחינת תדירות ההפעלה, פריט ניקל-אבץ מתאים לשימוש (> 1 מגה-הרץ) ואילו פריט מנגן-אבץ מתאים לפסי תדרים נמוכים יותר (<2 מגה-הרץ).

图片2         1

איור 1. עקומת ההיסטרזה של הליבה המגנטית (BR: remanence; BSAT: צפיפות שטף מגנטי רוויה)

3. ליבת ברזל אבקה

ליבות ברזל אבקה הן גם חומרים פרומגנטיים רכים-מגנטיים. הם עשויים מסגסוגות אבקת ברזל מחומרים שונים או רק אבקת ברזל. הנוסחה מכילה חומרים שאינם מגנטיים בגדלי חלקיקים שונים, כך שעקומת הרוויה יחסית עדינה. ליבת הברזל אבקתית היא בעיקר טורואידלית. איור 2 מציג את ליבת ברזל האבקה ואת תצוגת החתך שלה.

ליבות ברזל נפוצות באבקה כוללות סגסוגת ברזל-ניקל-מוליבדן (MPP), סנדוסט (סנדוסט), סגסוגת ברזל-ניקל (שטף גבוה) וליבת אבקת ברזל (אבקת ברזל). בגלל הרכיבים השונים, מאפייניו ומחיריו שונים גם הם, מה שמשפיע על בחירת המשרנים. להלן נציג את סוגי הליבה הנ"ל וישווה את מאפייניהם:

A. סגסוגת ברזל-ניקל-מוליבדן (MPP)

סגסוגת Fe-Ni-Mo מקוצרת כ- MPP, שהוא קיצור של אבקת מולייפרמויה. החדירות היחסית היא כ-14-500, וצפיפות השטף המגנטי של הרוויה היא כ- 7500 גאוס (גאוס), שהיא גבוהה יותר מצפיפות השטף המגנטי של הרוויה של פריט (כ- 4000-5000 גאוס). רבים בחוץ. ל- MPP אובדן הברזל הקטן ביותר ויש לו את יציבות הטמפרטורה הטובה ביותר בקרב ליבות ברזל אבקה. כאשר זרם ה- DC החיצוני מגיע לזרם הרוויה ISAT, ערך ההשראות יורד לאט ללא הנחתה פתאומית. ל- MPP ביצועים טובים יותר אך בעלות גבוהה יותר, והוא משמש בדרך כלל כמשרן כוח 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. אובדן הברזל הוא בין ליבת אבקת הברזל ל- MPP וסגסוגת ברזל-ניקל. . צפיפות השטף המגנטי הרוויה גבוהה מ- MPP, בערך 10500 גאוס. יציבות הטמפרטורה ומאפייני זרם הרוויה נחותים מעט יותר מ- MPP וסגסוגת ברזל-ניקל, אך טובים יותר מליבת אבקת ברזל ומליבת פריט, והמחיר היחסי זול יותר מ- MPP וסגסוגת ברזל-ניקל. הוא משמש בעיקר בסינון EMI, במעגלי תיקון פקטור הספק (PFC) ובמשרני כוח של ממירי הספק מיתוג.

 

ג. סגסוגת ברזל-ניקל (שטף גבוה)

ליבת סגסוגת הברזל-ניקל עשויה מברזל וניקל. החדירות המגנטית היחסית היא כ-14-200. אובדן הברזל ויציבות הטמפרטורה הם בין MPP לסגסוגת ברזל-סיליקון-אלומיניום. ליבת סגסוגת הברזל-ניקל היא בעלת צפיפות השטף המגנטית הרוויה הגבוהה ביותר, כ- 15,000 גאוס, והיא יכולה לעמוד בזרמי הטיית DC גבוהים יותר, ומאפייני הטיה DC שלהם הם גם טובים יותר. היקף יישום: תיקון מקדם כוח פעיל, השראות אחסון אנרגיה, השראות מסנן, שנאי בתדר גבוה של ממיר flyback וכו '.

 

ד.אבקת ברזל

ליבת אבקת הברזל עשויה מחלקיקי אבקת ברזל בעלי טוהר גבוה עם חלקיקים קטנים מאוד המבודדים זה מזה. תהליך הייצור גורם לו לפער אוויר מבוזר. בנוסף לצורת הטבעת, לצורות הליבה הנפוצות של אבקת ברזל יש גם סוג E והטבעה. החדירות המגנטית היחסית של ליבת אבקת הברזל היא כ- 10 עד 75, וצפיפות השטף המגנטי הרוויה גבוהה היא כ- 15000 גאוס. מבין ליבות הברזל אבקה, ליבת אבקת הברזל היא עם הפסד הברזל הגבוה ביותר אך בעלות הנמוכה ביותר.

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

图片3   3

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

 

לסיכום, מאפייני הרוויה של ליבת הברזל שונים; לאחר חריגה מזרם הרוויה, החדירות המגנטית של ליבת הפריט תיפול בצורה חדה, ואילו ליבת אבקת הברזל יכולה לרדת לאט. איור 4 מציג את מאפייני ירידת החדירות המגנטית של ליבת ברזל אבקתית עם אותה חדירות מגנטית ופרית עם פער אוויר תחת עוצמות שדה מגנטיות שונות. זה מסביר גם את השראות ליבת הפריט, מכיוון שהחדירות יורדת בחדות כאשר הליבה רוויה, כפי שניתן לראות ממשוואה (1), היא גם גורמת לירידה של ההשראות בצורה חדה; בעוד ליבת האבקה עם מרווח אוויר מפוזר, החדירות המגנטית הקצב יורד לאט כאשר ליבת הברזל רוויה, כך שההשראות פוחתת בעדינות רבה יותר, כלומר יש לו 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 הנוכחי של גביש המיתוג לעלות בחדות, וקל לגרום לנזק.

图片3    4

איור 4. מאפייני טיפת חדירות מגנטית של ליבת ברזל אבקתית וליבת ברזל פריט עם פער אוויר תחת חוזק שדה מגנטי שונה.

 

מאפייני חשמל של המשרן ומבנה החבילה

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

1. ערך השראות (L)

ערך ההשראות של המשרן הוא הפרמטר הבסיסי החשוב ביותר בתכנון המעגל, אך יש לבדוק האם ערך ההשראה יציב בתדירות ההפעלה. הערך הנומינלי של ההשראה נמדד בדרך כלל ב 100 קילוהרץ או 1 מגה הרץ ללא הטיה חיצונית של DC. וכדי להבטיח אפשרות לייצור אוטומטי המוני, הסובלנות של המשרן היא בדרך כלל ± 20% (M) ו- ± 30% (N). איור 5 הוא הגרף האופייני לתדר ההשראות של המשרן של Taiyo Yuden NR4018T220M שנמדד עם מד ה- LCR של וויין קר. כפי שמוצג באיור, עקומת ערך ההשראות שטוחה יחסית לפני 5 מגה-הרץ, וניתן לראות כמעט את ערך ההשראות כקבוע. ברצועת התדרים הגבוהה עקב התהודה שנוצרת על ידי הקיבול וההשראות הטפילים, ערך ההשראות יגדל. תדר תהודה זה נקרא תדר התהודה העצמית (SRF), שבדרך כלל צריך להיות גבוה בהרבה מתדר ההפעלה.

图片5  5

איור 5, תרשים מדידה אופייני של Taiyo Yuden NR4018T220M

 

2. עכבה (Z)

כפי שמוצג באיור 6, ניתן לראות את דיאגרמת העכבה גם מביצועי ההשראות בתדרים שונים. העכבה של המשרן פרופורציונאלית בערך לתדר (Z = 2πfL), ולכן ככל שהתדר גבוה יותר, התגובה תהיה הרבה יותר גדולה מהתנגדות ה- AC, ולכן העכבה מתנהגת כמו השראה טהורה (שלב הוא 90˚). בתדרים גבוהים, בשל אפקט הקיבול הטפילי, ניתן לראות את נקודת התדר המהדהדת העצמית של העכבה. לאחר נקודה זו העכבה צונחת והופכת לקיבולת, והשלב משתנה בהדרגה ל -90 ˚.

图片6  6

3. ערך Q והתנגדות AC (ACR)

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

图片7

(2)

כאשר XL הוא תגובת המשרן, ו- RL הוא התנגדות ה- AC של המשרן.

בתחום התדרים הנמוכים התנגדות ה- AC גדולה מהתגובה הנגרמת על ידי ההשראות, ולכן ערך ה- Q שלה נמוך מאוד; ככל שהתדר עולה, התגובה (בערך 2πfL) הולכת וגדלה, גם אם ההתנגדות עקב השפעת העור (אפקט העור) ואפקט הקרבה (קרבה) ההשפעה הולכת וגדלה, וערך Q עדיין עולה עם התדר ; כאשר מתקרבים ל- SRF, תגובת ההשראה מקוזזת בהדרגה על ידי התגובה הקיבולית, וערך Q הופך בהדרגה לקטן יותר; כאשר ה- SRF הופך לאפס, מכיוון שתגובת ההשראה והתגובה הקיבולית זהים לחלוטין נעלמים. איור 7 מראה את הקשר בין ערך Q לתדירות של NR4018T220M, והקשר הוא בצורת פעמון הפוך.

图片8  7

איור 7. הקשר בין ערך Q לתדירות של המשרן Taiyo Yuden NR4018T220M

בתדר ההשראות של היישום, ככל שערך Q גבוה יותר, כך טוב יותר; זה אומר שהתגובה שלו גדולה בהרבה מהתנגדות ה- AC. באופן כללי, ערך ה- Q הטוב ביותר הוא מעל 40, מה שאומר שאיכות המשרן טובה. עם זאת, בדרך כלל ככל שההטיה של DC עולה, ערך ההשראות יקטן וערך Q יקטן גם הוא. אם משתמשים בחוט אמייל שטוח או חוט אמייל רב-גדילי, ניתן להפחית את אפקט העור, כלומר התנגדות AC, ולהעלות את ערך ה- Q של המשרן.

התנגדות DC DCR נחשבת בדרך כלל כהתנגדות DC של חוט הנחושת, ואת ההתנגדות ניתן לחשב לפי קוטר התיל ואורכו. עם זאת, מרבית משרני ה- SMD הנוכחיים הנמוכים ישתמשו בריתוך קולי כדי לייצר את יריעת הנחושת של ה- SMD במסוף המתפתל. עם זאת, מכיוון שחוט הנחושת אינו ארוך ואורך ההתנגדות אינו גבוה, התנגדות הריתוך מהווה לעיתים קרובות חלק ניכר מהתנגדות ה- DC הכוללת. אם ניקח לדוגמא את משרן ה- SMD הפצוע מחוטים של TDK, CLF6045NIT-1R5N, התנגדות ה- DC הנמדדת היא 14.6mΩ, והתנגדות ה- DC המחושבת על בסיס קוטר החוט ואורכו היא 12.1mΩ. התוצאות מראות שהתנגדות ריתוך זו מהווה כ- 17% מהתנגדות ה- DC הכוללת.

עמידות ל- AC ל- ACR יש השפעת עור ואפקט קרבה, מה שיגרום לעליית ACR בתדירות; ביישום ההשראות הכלליות, מכיוון שרכיב ה- AC נמוך בהרבה מרכיב ה- DC, ההשפעה הנגרמת על ידי ACR אינה ברורה; אך בעומס קל, מכיוון שמרכיב ה- DC מצטמצם, לא ניתן להתעלם מהאובדן שנגרם על ידי ACR. משמעות אפקט העור היא שבתנאי AC, התפלגות הזרם בתוך המוליך אינה אחידה ומרוכזת על פני החוט, וכתוצאה מכך הפחתת שטח החתך המקביל של החוט, מה שמגדיל בתורו את ההתנגדות המקבילה של החוט עם תדירות. בנוסף, בחוט מתפתל חוטים סמוכים יגרמו לחיבור וחיסור של שדות מגנטיים עקב הזרם, כך שהזרם יתרכז במשטח הסמוך לחוט (או במשטח הרחוק ביותר, תלוי בכיוון הזרם. ), הגורם גם ליירוט חוטים שווה ערך. התופעה שהאזור פוחת וההתנגדות המקבילה עולה היא אפקט הקרבה כביכול; ביישום ההשראות של סלילה רב שכבתית, אפקט הקרבה ברור עוד יותר.

图片9  8

איור 8 מציג את הקשר בין התנגדות AC לתדירות של המשרן SMD הפצוע בחוט NR4018T220M. בתדר של 1 קילוהרץ, ההתנגדות היא בערך 360mΩ; ב 100kHz, ההתנגדות עולה ל 775mΩ; ב- 10MHz, ערך ההתנגדות קרוב ל -160Ω. כאשר מעריכים את אובדן הנחושת, על החישוב להתחשב ב- ACR הנגרם כתוצאה מהשפעות העור והקרבה, ולשנות אותו לנוסחה (3).

4. זרם רוויה (ISAT)

זרם הרוויה ISAT הוא בדרך כלל זרם ההטיה המסומן כאשר ערך ההשראות מוחלש כגון 10%, 30% או 40%. עבור פרית פער אוויר, מכיוון שמאפיין זרם הרוויה שלה מהיר מאוד, אין הבדל גדול בין 10% ל -40%. עיין בתרשים 4. עם זאת, אם מדובר בליבת אבקת ברזל (כגון משרן מוטבע), עקומת הרוויה יחסית עדינה, כפי שמוצג באיור 9, זרם ההטיה ב -10% או 40% מהאטת ההשראות הוא הרבה שונה, ולכן הערך הנוכחי של הרוויה יידון בנפרד עבור שני סוגי ליבות הברזל כדלקמן.

עבור פרית פער אוויר, זה סביר להשתמש ב- ISAT כגבול העליון של זרם המשרן המרבי ליישומי מעגל. עם זאת, אם מדובר בליבת אבקת ברזל, בגלל מאפיין הרוויה האיטי, לא תהיה שום בעיה גם אם הזרם המרבי של מעגל היישום יעלה על ISAT. לכן, מאפיין ליבת ברזל זה מתאים ביותר ליישומי ממיר מיתוג. תחת עומס כבד, אמנם ערך ההשראות של המשרן נמוך, כפי שמוצג באיור 9, גורם האדווה הנוכחי גבוה, אך סובלנות זרם הקבל הנוכחית גבוהה, ולכן לא תהיה בעיה. בעומס קל ערך ההשראות של המשרן גדול יותר, מה שעוזר להפחית את זרם האדווה של המשרן, ובכך להפחית את אובדן הברזל. איור 9 משווה את עקומת הרוויה הנוכחית של פריט הפצוע של TDK SLF7055T1R5N ומשרן ליבת אבקת ברזל מוטבע SPM6530T1R5M תחת אותו ערך סמלי של השראות.

图片9   9

איור 9. עקומת זרם הרוויה של פריט פצוע וליבת אבקת ברזל מוטבעת תחת אותו ערך סמלי של השראות

5. זרם מדורג (IDC)

ערך ה- IDC הוא הטיה של DC כאשר טמפרטורת המשרן עולה ל- Tr˚C. המפרט מציין גם את ערך התנגדות DC שלו RDC ב -20 ˚C. על פי מקדם הטמפרטורה של חוט הנחושת הוא כ -3,930 עמודים לדקה, כאשר הטמפרטורה של Tr עולה, ערך ההתנגדות שלה 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:

图片13(2)

טבלה 2 מתייחסת לגליון הנתונים של סדרת TDK VLS6045EX (6.0 × 6.0 × 4.5 מ"מ) ומחושבת את ההתנגדות התרמית בעליית טמפרטורה של 40˚C. ברור, עבור משרנים מאותה סדרה וגודל, ההתנגדות התרמית המחושבת כמעט זהה בשל אותו אזור פיזור חום על פני השטח; במילים אחרות, ניתן לאמוד את ה- IDC הנוכחי המדורג של משרנים שונים. לסדרות (חבילות) שונות של משרנים התנגדות תרמית שונה. טבלה 3 משווה את ההתנגדות התרמית של המשרנים מסדרת TDK VLS6045EX (מסוכך למחצה) וסדרת SPM6530 (יצוק). ככל שההתנגדות התרמית גדולה יותר, כך עליית הטמפרטורה שנוצרת יותר כאשר ההשראה זורמת דרך זרם העומס; אחרת, התחתון.

图片14  (2)

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

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

图片15  (3)

טבלה 3. השוואה בין עמידות תרמית למשרני אריזה שונים.

 

6. אובדן ליבה

אובדן ליבה, המכונה אובדן ברזל, נגרם בעיקר מאובדן זרם מערבולת ואובדן היסטריה. גודלו של אובדן זרם החוטם תלוי בעיקר אם חומר הליבה קל "לניהול"; אם המוליכות גבוהה, כלומר ההתנגדות נמוכה, אובדן זרם האדין גבוה, ואם ההתנגדות של הפריט גבוהה, אובדן זרם האדין נמוך יחסית. אובדן זרם אדי קשור גם לתדירות. ככל שהתדירות גבוהה יותר, כך גדל אובדן זרם העצב. לכן, חומר הליבה יקבע את תדירות ההפעלה הנכונה של הליבה. באופן כללי, תדר העבודה של ליבת אבקת ברזל יכול להגיע ל -1 מגה-הרץ, ותדר העבודה של פריט יכול להגיע ל -10 מגה-הרץ. אם תדר ההפעלה עולה על תדר זה, אובדן זרם העצבני יגדל במהירות וטמפרטורת ליבת הברזל תעלה גם היא. עם זאת, עם התפתחות מהירה של חומרי ליבת ברזל, ליבות ברזל בעלות תדירות הפעלה גבוהה יותר צריכות להיות ממש מעבר לפינה.

אובדן ברזל נוסף הוא אובדן ההיסטרזה, שהוא פרופורציונאלי לשטח הסגור על ידי עקומת ההיסטרזה, שקשור למשרעת הנדנדה של רכיב זרם ה- AC; ככל שתנופת ה- AC גדולה יותר, כך אובדן ההיסטריה גדול יותר.

במעגל המקביל של המשרן, נגד מחובר במקביל למשרן משמש לעתים קרובות כדי לבטא את אובדן הברזל. כאשר התדר שווה ל- SRF, התגובה האינדוקטיבית והתגובה הקיבולית מבוטלות, והתגובה המקבילה היא אפס. בשלב זה, העכבה של המשרן שקולה לעמידות לאובדן ברזל בסדרה עם התנגדות סלילה, והתנגדות לאובדן ברזל גדולה בהרבה מהתנגדות סלילה, ולכן העכבה ב- SRF שווה בערך להתנגדות לאובדן ברזל. אם ניקח משרן במתח נמוך כדוגמה, התנגדות אובדן הברזל שלו היא בערך 20kΩ. אם מתח הערך האפקטיבי בשני קצוות המשרן מוערך כ -5 וולט, אובדן הברזל שלו הוא כ- 1.25mW, מה שמראה גם שככל שהתנגדות אובדן הברזל גדולה יותר, כך טוב יותר.

7. מבנה מגן

מבנה האריזה של משרני פריט כולל שאינו מוגן, מוגן למחצה עם דבק מגנטי, ומסוכך, ויש פער אוויר ניכר באחד מהם. ברור שלפער האוויר תהיה דליפה מגנטית, ובמקרה הגרוע זה יפריע למעגלי האות הקטנים שמסביב, או אם יש חומר מגנטי בסביבה, ההשראה שלו תשתנה גם כן. מבנה אריזה נוסף הוא משרן אבקת ברזל מוטבע. מכיוון שאין מרווח בתוך המשרן והמבנה המתפתל מוצק, בעיית פיזור השדה המגנטי קטנה יחסית. איור 10 הוא השימוש בפונקציית FFT של אוסצילוסקופ RTO 1004 כדי למדוד את גודל השדה המגנטי הזליגה בגובה 3 מ"מ ומצד המשרן החותמת. טבלה 4 מפרטת את ההשוואה בין השדה המגנטי הזליגה של משרני מבנה חבילה שונים. ניתן לראות כי למשרנים שאינם מוגנים יש את הדליפה המגנטית החמורה ביותר; למשרנים מוטבעים יש את הדליפה המגנטית הקטנה ביותר, המציגים את אפקט ההגנה המגנטי הטוב ביותר. . ההבדל בגודל השדה המגנטי הזליגה של המשרנים של שני המבנים הללו הוא כ- 14dB, שזה כמעט פי 5.

10图片16

איור 10. גודל השדה המגנטי הזליגה נמדד 3 מ"מ מעל ומצד המשרן החותמת

图片17 (4)

טבלה 4. השוואה בין השדה המגנטי הזליגה של משרני מבנה חבילה שונים

8. צימוד

ביישומים מסוימים, ישנן קבוצות מרובות של ממירי DC על גבי ה- PCB, שלרוב מסודרות זו לצד זו, והמשרנים המקבילים שלהן מסודרים זה לצד זה. אם אתה משתמש בסוג שאינו מוגן או סוג מסוכך למחצה עם דבק מגנטי, משרנים עשויים להיות משולבים זה בזה ליצירת הפרעות EMI. לכן, בעת הנחת המשרן, מומלץ לסמן תחילה את קוטבי המשרן, ולחבר את נקודת ההתחלה והסלילה של השכבה הפנימית ביותר של המשרן למתח המיתוג של הממיר, כגון ה- VSW של ממיר באק, שהיא הנקודה המרגשת. מסוף השקע מחובר לקבל המוצא, שהוא הנקודה הסטטית; לכן חוט הנחושת מתפתל סוג מסוים של מיגון שדה חשמלי. במערך החיווט של המולטיפלקס, תיקון הקוטביות של ההשראות עוזר לתקן את גודל ההשראות ההדדיות ולהימנע מכמה בעיות EMI בלתי צפויות.

יישומים:

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

כפי שמוצג במשוואה (5), ערך המשרן ותדירות המיתוג של הממיר ישפיעו על זרם אדוות המשרן (ΔiL). זרם אדוות המשרן יזרום דרך קבל המוצא וישפיע על זרם האדווה של קבל המוצא. לכן, זה ישפיע על בחירת קבל המוצא וישפיע עוד יותר על גודל האדווה של מתח המוצא. יתר על כן, ערך ההשראות וערך קיבולת המוצא ישפיעו גם על עיצוב המשוב של המערכת ועל התגובה הדינמית של העומס. בבחירת ערך השראות גדול יותר יש פחות מתח זרם על הקבל, והיא גם מועילה להפחתת אדוות מתח המוצא ויכולה לאגור יותר אנרגיה. עם זאת, ערך השראות גדול יותר מציין נפח גדול יותר, כלומר עלות גבוהה יותר. לכן, כאשר מתכננים את הממיר, יש חשיבות רבה לתכנון ערך ההשראות.

图片18        (5)

ניתן לראות מנוסחה (5) שכאשר הפער בין מתח הכניסה למתח היציאה גדול יותר, זרם אדוות המשרן יהיה גדול יותר, וזה המצב הגרוע ביותר בתכנון המשרן. יחד עם ניתוח אינדוקטיבי אחר, יש לבחור בדרך כלל את נקודת תכנון ההשראות של ממיר הצעדים בתנאים של מתח כניסה מרבי ועומס מלא.

בעת תכנון ערך ההשראה, יש צורך לבצע החלפה בין זרם אדווה המשרן לגודל המשרן, וגורם זרם האדווה (גורם זרם אדווה; γ) מוגדר כאן, כמו בנוסחה (6).

图片19(6)

החלפת הנוסחה (6) לנוסחה (5), ערך ההשראות יכול לבוא לידי ביטוי כנוסחה (7).

图片20  (7)

על פי הנוסחה (7), כאשר ההבדל בין מתח הכניסה למוצא גדול יותר, ניתן לבחור את ערך γ גדול יותר; נהפוך הוא, אם מתח הקלט והפלט קרוב יותר, עיצוב הערך γ חייב להיות קטן יותר. על מנת לבחור בין זרם אדוות המשרן לגודל, על פי ערך חווית העיצוב המסורתית, γ הוא בדרך כלל 0.2 עד 0.5. להלן לוקח את RT7276 כדוגמה להמחשת חישוב ההשראות ובחירת המשרנים הזמינים מסחרית.

דוגמה לעיצוב: תוכנן עם ממיר למטה למטה של ​​תיקון סינכרוני מתקדם בזמן קבוע (Advanced Constant On-Time; ACOT ™), תדר המיתוג שלו הוא 700 קילוהרץ, מתח הכניסה הוא 4.5 וולט עד 18 וולט, ומתח המוצא הוא 1.05 וולט . זרם העומס המלא הוא 3A. כאמור לעיל, יש לתכנן את ערך ההשראות בתנאים של מתח הכניסה המרבי של 18V והעומס המלא של 3A, הערך של γ נלקח כ- 0.35, והערך הנ"ל מוחלף למשוואה (7), ההשראה הערך הוא

图片21

 

השתמש במשרן בעל ערך השראות סמלי קונבנציונאלי של 1.5 µH. נוסחה תחליפית (5) לחישוב זרם אדוות המשרן כדלקמן.

图片22

לכן, זרם השיא של המשרן הוא

图片23

והערך האפקטיבי של זרם המשרן (IRMS) הוא

图片24

מכיוון שרכיב אדוות המשרן קטן, הערך האפקטיבי של זרם המשרן הוא בעיקר רכיב DC שלו, וערך יעיל זה משמש כבסיס לבחירת ה- IDC הנוכחי של המשרן. עם 80% צמצום (דרטינג) עיצוב, דרישות ההשראות הן:

 

L = 1.5 µH (100 קילוהרץ), IDC = 3.77 A, ISAT = 4.34 A

 

טבלה 5 מפרטת את המשרנים הזמינים של סדרות שונות של TDK, דומים בגודלם אך שונים במבנה החבילה. מהטבלה ניתן לראות כי זרם הרוויה והזרם המדורג של המשרן החותמת (SPM6530T-1R5M) הם גדולים, וההתנגדות התרמית קטנה ופיזור החום טוב. בנוסף, על פי הדיון בפרק הקודם, חומר הליבה של המשרן החותמת הוא ליבת אבקת ברזל, ולכן משווים אותו לליבת הפריטים של המשרנים המסוכנים למחצה (VLS6045EX-1R5N) ומוגנים (SLF7055T-1R5N) עם דבק מגנטי. , בעל מאפייני הטיית DC טובים. איור 11 מציג את השוואת היעילות של משרנים שונים המופעלים על ממיר ההפעלה למטה של ​​תיקון סינכרוני קבוע בזמן RT7276. התוצאות מראות כי הבדל היעילות בין השלוש אינו משמעותי. אם אתה שוקל פיזור חום, מאפייני הטיה של DC ובעיות פיזור שדות מגנטיים, מומלץ להשתמש במשרנים SPM6530T-1R5M.

图片25(5)

טבלה 5. השוואת השראות של סדרות שונות של TDK

图片26 11

איור 11. השוואה בין יעילות הממיר למשרנים שונים

אם תבחר באותו מבנה חבילה וערך השראות, אך משרנים בגודל קטן יותר, כגון SPM4015T-1R5M (4.4 × 4.1 × 1.5 מ"מ), אם כי גודלו קטן, אך התנגדות DC RDC (44.5mΩ) והתנגדות תרמית ΘTH ( 51˚C) / W) גדול יותר. עבור ממירים של אותם מפרט, גם הערך האפקטיבי של הזרם שמסבל המשרן הוא זהה. ברור שהתנגדות DC תפחית את היעילות בעומס כבד. בנוסף, עמידות תרמית גדולה פירושה פיזור חום לקוי. לכן, בעת בחירת משרן, אין צורך רק לקחת בחשבון את היתרונות של גודל מופחת, אלא גם להעריך את חסרונותיו הנלווים.

 

לסיכום

השראות היא אחד המרכיבים הפסיביים הנפוצים בממירי הספק מיתוגיים, אשר יכולים לשמש לאחסון אנרגיה וסינון. עם זאת, בתכנון המעגלים לא צריך לשים לב רק לערך ההשראות, אלא גם פרמטרים אחרים הכוללים התנגדות זרם חילופין וערך Q, סובלנות זרם, רווי ליבת ברזל ומבנה חבילה וכו ', הם כולם פרמטרים שחייבים. יש לקחת בחשבון בבחירת משרן. . פרמטרים אלה קשורים בדרך כלל לחומר הליבה, לתהליך הייצור ולגודל והעלות. לכן, מאמר זה מציג את המאפיינים של חומרי ליבת ברזל שונים וכיצד לבחור אינדוקציה מתאימה כנקודת התייחסות לתכנון אספקת החשמל.

 


זמן פרסום: יוני 15-2021