Auswahlhandbuch für Ferritkernmaterialien für SMPS

In diesem Beitrag erfahren Sie, wie Sie Ferritkernmaterial mit den richtigen Spezifikationen auswählen, um die ordnungsgemäße Kompatibilität mit einem bestimmten SMPS-Schaltungsdesign sicherzustellen

Warum Ferritkern

Ferrit ist eine wunderbare Kernsubstanz für Transformatoren Wechselrichter und Induktivitäten im Frequenzspektrum von 20 kHz bis 3 MHz aufgrund der Vorteile reduzierter Kernkosten und minimaler Kernverluste.

Ferrit ist ein wirksames Produkt für Hochfrequenz-Wechselrichter-Netzteile (20 kHz bis 3 MHz).

Ferrite sollten im Sättigungsansatz für Funktionen mit geringer Leistung und niedriger Frequenz verwendet werden (<50 watts and 10 kHz). For high power functionality a 2 transformer layout, employing a tape wrapped core as the saturating core and a ferrite core as the output transformer, delivers optimum execution.

Das 2-Transformator-Modell bietet einen außergewöhnlichen Wirkungsgrad, eine fantastische Frequenzbeständigkeit und minimale Schaltverluste.

Ferritkerne werden üblicherweise in Fly-Back-Transformator-Versionen verwendet , die minimale Kernkosten, reduzierte Schaltungskosten und Spitzenspannungseffizienz bieten. Pulverkerne (MPP, High Flux, Kool Mμ®) erzeugen eine weichere Sättigung, einen höheren Bmax und eine vorteilhaftere Temperaturkonstanz und sind häufig die bevorzugte Option bei einer Reihe von Flyback-Anwendungen oder Induktoren.

Hochfrequenznetzteile, entweder Wechselrichter oder Wandler, bieten einen günstigeren Preis und ein geringeres Gewicht und eine geringere Struktur im Vergleich zu herkömmlichen 60-Hertz- und 400-Hertz-Stromversorgungsoptionen.

Einige Kerne in diesem speziellen Segment sind typische Designs, die im Beruf häufig verwendet werden.

KERNMATERIALIEN

F-, P- und R-Materialien, die die minimalen Kernnachteile und die maximale Sättigungsflussdichte ermöglichen, werden für Funktionen mit hoher Leistung / hoher Temperatur empfohlen. Die Defizite des P-Materialkerns sinken mit einer Temperatur von bis zu 70 ° C. Die R-Materialverluste sinken auf bis zu 100 ° C.

J- und W-Materialien bieten Ihnen eine überlegene Impedanz für breite Transformatoren, weshalb sie auch für Transformatoren mit niedriger Leistung empfohlen werden.

KERNGEOMETRIEN

1) KANN FARBEN

Topfkerne werden so hergestellt, dass sie die Wundspule so gut wie umgeben. Dies erleichtert es, die Spule vor dem Aufnehmen von EMI von externen Alternativen zu schützen.

Die Proportionen des Topfkerns halten sich so gut wie alle an die IEC-Spezifikationen, um sicherzustellen, dass zwischen Unternehmen Austauschbarkeit besteht. Sowohl die einfachen als auch die gedruckten Schaltungsspulen sind
auf dem Markt, ebenso wie Montage- und Montageteile.

Aufgrund seines Layouts ist der Topfkern im Vergleich zu verschiedenen Formaten einer analogen Größe normalerweise ein teurerer Kern. Topfkerne für wesentliche Energiezwecke sind nicht leicht zugänglich.

2) DOPPELTE PLATTE UND RMKERNE

Plattenseitige feste Mittelpfostenkerne ähneln Topfkernen, besitzen jedoch ein Segment, das an beiden Teilen der Schürze minimiert wird. Wesentliche Eingänge ermöglichen die Unterbringung größerer Drähte und tragen zur Wärmeabfuhr aus dem Aufbau bei.

RM Farben ähneln Topfkernen, sind jedoch so gestaltet, dass sie die Leiterplattenfläche einschränken und den Installationsraum um mindestens 40% reduzieren.

Es sind gedruckte Schaltungen oder einfache Spulen erhältlich. Einfache 1-Einheiten-Klemmen ermöglichen eine problemlose Konstruktion. Ein niedrigerer Umriss ist erreichbar.

Das robuste Mittelstück liefert weniger Kernverlust, wodurch wiederum Wärmestau vermieden wird.

3) EP CORES

EP-Kerne sind kreisförmige kubische Mittelpfostenkonstruktionen, die die Spule mit Ausnahme der Leiterplattenanschlüsse gründlich umgeben. Das spezifische Erscheinungsbild eliminiert den Einfluss von Luftströmungsspalten, die an den Gegenwänden in der Magnetspur entstehen, und gibt Ihnen ein signifikanteres Volumenverhältnis zur verwendeten absoluten Fläche. Der Schutz vor RFs ist ziemlich großartig.

4) PQ-FARBEN

PQ-Kerne sind speziell für Schaltnetzteile vorgesehen. Das Layout ermöglicht ein maximiertes Verhältnis von Volumen zu Wicklungsbereich und Oberfläche.

Daher sind sowohl eine optimale Induktivität als auch eine optimale Wicklungsfläche mit der absolut minimalen Kernabmessung erreichbar.

Die Kerne bieten somit eine optimale Leistungsabgabe bei geringster Masse und Abmessung des Transformators sowie einen minimalen Platzbedarf auf der Leiterplatte.

Das Einrichten mit Leiterplattenspulen und Ein-Bit-Klemmen ist einfach. Dieses wirtschaftliche Modell gewährleistet einen viel homogeneren Querschnitt, weshalb Kerne häufig mit einer geringeren Anzahl heißer Positionen arbeiten als mit unterschiedlichen Layouts.

5) UND FARBEN

E-Kerne sind billiger als Topfkerne, haben jedoch die Aspekte einer einfachen Spulenwicklung und einer unkomplizierten Montage. Für die mit diesen Kernen verwendeten Spulen ist eine Gruppenwicklung möglich.

E-Kerne weisen jedoch niemals eine Selbstabschirmung auf. Laminierungslayouts der Größe E sind für die Aufnahme von im Handel erhältlichen Spulen in früheren Zeiten konzipiert, um den Streifenprägungen der üblichen Laminierungsmessungen zu entsprechen.

Metrisch und DIN-Größen kann auch gefunden werden. E-Kerne sind typischerweise in verschiedene Konsistenzen eingebettet und liefern eine Vielzahl von Querschnittsflächen. Spulen für diese verschiedenen Querschnittsflächen sind in der Regel kommerziell zugänglich.

E-Kerne werden normalerweise in eindeutigen Ausrichtungen installiert. Falls dies bevorzugt wird, wird ein niedriges Profil gewährt.
Druckspulen können für die Befestigung mit niedrigem Profil gefunden werden.

E-Kerne sind bekannte Konstruktionen aufgrund ihrer günstigeren Rate, der Bequemlichkeit der Montage und des Wickelns und der organisierten Verbreitung einer Auswahl an Hardware.

6) PLANAR UND FARBEN

Planare E-Kerne sind in praktisch allen konventionellen IEC-Messungen enthalten, zusammen mit mehreren zusätzlichen Kapazitäten.

Das Magnetics R-Material ist aufgrund seiner reduzierten Wechselstromkernverluste und minimalen Verluste bei 100 ° C einwandfrei an planare Formen angepasst.

Planare Layouts weisen in den meisten Fällen niedrige Windungszahlen und eine angenehme Wärmeableitung im Gegensatz zu Standardferrittransformatoren auf. Aus diesem Grund führen die idealen Konstruktionen für Raum und Effektivität zu erhöhten Flussdichten. Bei diesen Variationen ist der Gesamtleistungsvorteil von R-Material hauptsächlich ziemlich bemerkenswert.

Die Beinspannweite und die Fensterhöhe (Proportionen B und D) sind für individuelle Zwecke ohne neue Werkzeuge flexibel. Dies ermöglicht es dem Entwickler, die endgültigen Kernspezifikationen so anzupassen, dass sie genau zur Höhe des planaren Leiterstapels passen, ohne dass Platz benötigt wird.

In zahlreichen Fällen werden Clips und Clip-Slots angeboten, die für das Prototyping besonders effektiv sein könnten. Darüber hinaus werden I-Cores als Standard vorgeschlagen, was eine noch größere Anpassungsfähigkeit im Layout ermöglicht.

Planare E-I-Muster sind praktisch, um eine effektive Gesichtsmischung bei Massenproduktion zu ermöglichen und um Induktorkerne mit Lücken zu erzeugen, bei denen die Randabsenkungen aufgrund der planaren Struktur gründlich berücksichtigt werden müssen.

7) EC-, ETD-, EER- UND ER-KERN

Diese Arten von Mustern sind eine Mischung aus E-Kernen und Topfkernen. Wie E-Kerne bieten sie auf beiden Seiten eine enorme Lücke. Dies ermöglicht einen zufriedenstellenden Platz für die größeren Drähte, die für Schaltnetzteile mit reduzierter Ausgangsspannung erforderlich sind.

Abgesehen davon garantiert es eine Luftzirkulation, die die Konstruktion kälter hält.

Das Mittelstück ist kreisförmig und dem des Topfkerns sehr ähnlich. Einer der positiven Aspekte der kreisförmigen zentralen Säule besteht darin, dass die Wicklung eine geringere Umlaufzeit (11% schneller) aufweist als der Draht um eine quadratische zentrale Säule mit sehr gleicher Querschnittsfläche.

Dies reduziert die Wicklungsverluste um 11% und ermöglicht es dem Kern, mit einer verbesserten Ausgangsleistung fertig zu werden. Die kreisförmige zentrale Säule minimiert zusätzlich die Stachelfalte im Kupfer, die beim Wickeln auf einer quadratischen zentralen Säule auftritt.

8) TOROIDE

Die Herstellung von Toroiden ist kostengünstig, daher sind diese von den relevantesten Kernkonstruktionen am kostengünstigsten. Da keine Spule erforderlich wird, sind Zubehör- und Einrichtungsgebühren vernachlässigbar.

Das Wickeln ist bei Toroidwicklungsgeräten abgeschlossen. Das Abschirmungsattribut ist ziemlich solide.

Überblick

Ferritgeometrien bieten Ihnen eine große Auswahl an Größen und Stilen. Bei der Auswahl eines Kerns für die Stromversorgung sollten die in Tabelle 1 aufgeführten Spezifikationen bewertet werden.

AUSWAHL DER TRANSFORMATORENKERNGRÖSSE

Die Leistungsverarbeitungsfähigkeit eines Transformatorkerns hängt normalerweise von seinem WaAc-Produkt ab, in dem Wa der angebotene Kernfensterraum und Ac der nützliche Kernquerschnittsraum ist.

Während die obige Gleichung es ermöglicht, WaAc in Abhängigkeit von einer bestimmten Kerngeometrie zu modifizieren, nutzt die Pressman-Technik die Topologie als fundamentalen Faktor und ermöglicht es dem Hersteller, die Stromdichte zu bestimmen.

ALLGEMEINE INFORMATIONEN

Ein perfekter Transformator ist nur einer, der einen minimalen Kernabfall verspricht und gleichzeitig das geringste Raumvolumen erfordert.

Der Kernverlust in einem bestimmten Kern wird spezifisch durch die Flussdichte zusammen mit der Frequenz beeinflusst. Die Frequenz ist der entscheidende Faktor für einen Transformator. Das Faradaysche Gesetz besagt, dass sich die Flussdichte mit zunehmender Frequenz entsprechend verringert.

Core-Loss-Trades reduzieren sich viel mehr, wenn die Flussdichte sinkt, als wenn die Frequenz zunimmt. Wenn beispielsweise ein Transformator bei 250 kHz und 2 kG auf R-Material bei 100 ° C betrieben wird, liegen die Kernausfälle wahrscheinlich bei etwa 400 mW / cm3.

Wenn die Frequenz zweimal gemacht würde und die meisten anderen Einschränkungen aufgrund des Faradayschen Gesetzes unversehrt bleiben würden, würde sich die Flussdichte wahrscheinlich als 1 kg herausstellen und die resultierenden Kernabsenkungen würden ungefähr 300 mW / cm3 betragen.

Standard-Ferrit-Leistungstransformatoren sind auf Kernverluste beschränkt und liegen zwischen 50 und 200 mW / cm3. Planare Modelle könnten aufgrund der vorteilhafteren Verlustleistung und der deutlich geringeren Kupfermenge in den Wicklungen mit bis zu 600 mW / cm3 wesentlich sicherer betrieben werden.

CIRCUIT-Kategorien

Eine Reihe grundlegender Rückmeldungen zu den verschiedenen Schaltkreisen sind: Die Gegentaktschaltung ist effektiv, da das Gerät eine bidirektionale Verwendung eines Transformatorkerns bewirkt und einen Ausgang mit reduzierter Welligkeit aufweist. Trotzdem ist die Schaltung besonders hoch entwickelt, und die Sättigung des Transformatorkerns kann zu einem Transistorausfall führen, wenn Leistungstransistoren ungleiche Schalteigenschaften aufweisen.

Vorwärtskopplungsschaltungen sind kostengünstiger und verwenden nur einen Transistor. Die Welligkeit ist minimal, da scheinbar stabile Zustandsstromströme im Transformator fließen, unabhängig davon, ob der Transistor EIN oder AUS ist. Die Flyback-Schaltung ist unkompliziert und erschwinglich. Darüber hinaus sind die EMI-Probleme erheblich geringer. Trotzdem ist der Transformator größer und die Welligkeit ist bedeutender.

PUSH-PULL CIRCUIT

Eine herkömmliche Gegentaktschaltung ist in Fig. 2A dargestellt. Die Speisespannung ist der Ausgang eines IC-Netzwerks oder Takts, der die Transistoren abwechselnd ein- und ausschaltet. Hochfrequente Rechteckwellen am Transistorausgang werden schließlich verfeinert, wodurch Gleichstrom erzeugt wird.

KERN IM PUSH-PULL-KREIS

Für Ferrittransformatoren bei 20 kHz ist es normalerweise ein bekanntes Verfahren, Gleichung (4) mit einer Flussdichte (B) von ± 2 kG max.

Dies kann durch den farbigen Abschnitt der Hystereseschleife in Fig. 2B hervorgehoben werden. Dieser B-Grad wird hauptsächlich gewählt, weil der einschränkende Aspekt bei der Auswahl eines Kerns mit dieser Frequenz der Kernverlust ist.

Wenn der Transformator bei 20 kHz ideal für eine Flussdichte um die Sättigung ist (wie dies bei kleineren Frequenzlayouts der Fall ist), wird der Kern einen unkontrollierten Temperaturanstieg erhalten.

Aus diesem Grund werden die Kernverluste durch die geringere Betriebsflussdichte von 2 kG in den meisten Fällen begrenzt, was zu einem erschwinglichen Temperaturanstieg im Kern beiträgt.

Oberhalb von 20 kHz maximieren sich die Kernverluste. Um die SPS bei erhöhten Frequenzen auszuführen, ist es wichtig, die Kernflussraten von weniger als ± 2 kg auszuführen. Abbildung 3 zeigt den Rückgang der Flussniveaus für MAGNETICS „P“ -Ferritmaterial, das für einen konstanten Kernverlust von 100 mW / cm3 bei zahlreichen Frequenzen mit einem optimalen Temperaturanstieg von 25 ° C von entscheidender Bedeutung ist.

In der in 4A dargestellten Vorwärtskopplungsschaltung wird der Transformator im 1. Quadranten der Hystereseschleife ausgeführt. (Fig. 4B).

Unipolare Impulse, die in das Halbleiterbauelement implementiert werden, bewirken, dass der Transformatorkern von seinem BR-Wert nahe der Sättigung gespeist wird. Wenn die Impulse auf Null verkleinert werden, kehrt der Kern zu seiner BR-Rate zurück.

Um einen überlegenen Wirkungsgrad aufrechtzuerhalten, wird die Primärinduktivität hoch gehalten, um den Magnetisierungsstrom zu reduzieren und die Drahtabsenkung zu verringern. Dies impliziert, dass der Kern eine Null oder ein Minimum an Luftstromöffnung haben muss.