Online Electric

A review of existing magnetic materials used for high-frequency transformer cores. The technique of creating a model of the transformer in the program Microcap 9. An example of calculation of the basic characteristics of single-ended flyback converter with high-frequency transformer, a simulation.

Key words: Magnetic materials, permalloy, single-ended flyback converter..

Введение

Импульсные источники питания (ИИП) становятся популярными из-за высокой эффективности, высокой удельной мощности и низких массогабаритных параметров, высокой энергетической плотности. Благодаря использованию широтно-импульсной модуляции (ШИР) они способны стабилизировать напряжение в широких пределах.

Одной из наиболее широко распространенных схем маломощного импульсного источника питания является схема обратноходового преобразователя (ОП), показанная на рисунке 1. Эта схема преобразует одно постоянное напряжение в другое, регулируя выходное напряжение посредством либо широтно-импульсной модуляции (ШИМ), либо частотно-импульсной модуляции (ЧИМ).

Методика работы силовой части ОП достаточно проста. В период, когда транзистор VT1 открыт, в первичной обмотке трансформатора (ТР) начинает линейно нарастать ток. Во вторичной обмотке ток не течет из-за обратно включенного диода VD1. При закрытии транзистора полярность напряжения на вторичной обмотке ТР меняется, в ней начинает течь ток, который заряжает выходной конденсатор и питает нагрузку. Другими словами, в течении первой части периода трансформатор ОП запасает энергию в магнитном поле сердечника, которая затем реализуется в нагрузке.

Смысл ШИМ состоит в следующем. При увеличении длительности включенного состояния транзистора, ТР запасает в себе большую мощность, что означает, что на выходе схемы будет большее напряжение. Таким образом, регулируя длительность включенного состояния транзистора, можно управлять выходным напряжением схемы.

В связи с распространенностью импульсных источников питания, работающих на высокой частоте, целесообразно провести обзор существующих магнитных материалов для ВЧ ТР.

Выбор материала высокочастотного трансформатора

Далеко не все ферромагнетики подойдут для изготовления трансформаторов и дросселей, тем более высокочастотных. Наиболее подходящие свойства, которыми должны обладать эти материалы, таковы [4]:

• материал должен легко намагничиваться и размагничиваться, то есть быть магнитомягким — обладать узкой петлей гистерезиса, малой коэрцитивной силой, большими значениями начальной и максимальной магнитной проницаемости;

• материал должен обладать большой индукцией насыщения, что позволит разработчику уменьшить габариты и массу электротехнических изделий;

• материал должен иметь возможно меньшие потери на перемагничивание и вихревые токи;

• материал должен иметь слабую зависимость магнитных свойств от механических напряжений типа растяжения и сжатия;

• материал должен в максимальной степени сохранять магнитные характеристики при изменении температуры, влажности, с течением времени.

В большинстве справочников магнитные материалы классифицируются по трем основным группам:

а) проводниковые — электротехнические стали и сплавы (пермаллои);

б) полупроводниковые — ферриты;

в) диэлектрические — магнитодиэлектрики.

Применение материалов, относящихся к разным группам, имеет свои особенности. При изготовлении электромагнитных элементов, работающих на частотах от 50 Гц до 10 кГц, используют электротехнические стали, на частотах от 5...10 до 20...30 кГц — электротехнические сплавы, на частотах от нескольких килогерц и выше — ферриты и магнитодиэлектрики. Отдельные виды электротехнических сплавов так называемого микронного проката работают на частотах до нескольких сотен килогерц. Но в любом случае надо помнить, что верхняя частота материала ограничена потерями в нем на гистерезис и вихревые токи.

Сравним наиболее часто используемые ВЧ магнитные материалы: ферриты, альсиферы и пресспермы.

Ферриты наиболее часто используются в силовой импульсной технике. Они представляют собой поликристаллические многокомпонентные соединения, изготавливаемые по особой технологии, общая химическая формула которых MeFe2O3 (где Me — какой-либо ферромагнетик, например, Mn, Zn, Ni). Являясь полупроводниками, ферриты обладают высокими значениями собственного электрического сопротивления, превышающего сопротивление сталей в 50 раз и более. Именно это обстоятельство позволяет применять ферриты в индуктивных элементах, работающих на высоких частотах, без опасения, что могут резко повыситься потери на вихревые токи. Наибольшее распространение в силовой технике получили отечественные марганец-цинковые ферриты марок НМ и никель-цинковые ферриты марок НН. При выборе между этими марками предпочтение, конечно, следует отдать ферритам марок НМ, поскольку они имеют более высокую температуру Кюри (температура, при которой ферромагнетики теряют свои ферромагнитные свойства), что позволяет эксплуатировать их при более высоких температурах перегрева. Потери на гистерезис у марганец-цинковых ферритов на порядок меньше, чем у никель-цинковых. Ферриты марок НМ обладают высокой стабильностью к воздействию механических нагрузок. Однако электрическое сопротивление ферритов марок НМ меньше, чем ферритов марок НН, поэтому последние могут эксплуатироваться на более высоких частотах. Кривые намагничивания марганец-цинковых (НМ) от никель-цинковых (НН) ферритов изображены на рисунке 2.

Альсиферы — широко применяемый в силовой импульсной технике вид магнитодиэлектриков. Основу магнитного наполнителя альсиферов составляет тройной сплав Al-Si-Fe (алюминий, кремний, железо). Отечественной промышленностью выпускается 6 марок альсиферов с относительной проницаемостью от 22 до 90, предназначенных для работы в интервале температур от -60 до +120 °С. На рисунке 3 приведены кривые намагничивания альсиферов марок ТЧ-60, ГЧ-32, ВЧ-22.

Пресспермы — магнитодиэлектрики, производимые на основе Mo-пермаллоя. Изготовляют их из мелкого металлического порошка на базе высоконикелевого пермаллоя, легированного молибденом. Пресспермы обладают повышенной магнитной проницаемостью, низким уровнем гистерезисных потерь. Отечественной промышленностью разработаны 10 марок пресспермов нетермокомпенсированных и столько же термокомпенсированных. Параметры некоторых представителей приведены в таблице 1. В обозначении термокомпенсированных пресспермов добавляется буква «К». Цифра в обозначении марки — это номинальная магнитная проницаемость. Верхняя рабочая частота МО-пермаллоевых сердечников составляет 100 кГц.

На рисунке 4 приведены кривые намагничивания пресспермов наиболее распространенных марок.

Все импульсные источники с индуктивными элементами по типу преобразования можно разделить на два больших класса: источники с трансформаторами и источники с накоплением энергии в индуктивном элементе и последующей ее реализации в нагрузке. К первым относятся мостовые и полумостовые схемы инверторов напряжения, схема однотактного прямоходового преобразователя. Ко вторым - стабилизаторы понижающего и повышающего типа, разнообразные однотактные и двухтактные преобразователи, в частности схема однотактного обратноходового преобразователя.

В первом случае, в соответствие с расчетной формулой ЭДС обмотки ТР (1), на габариты индуктивного элемента существенное влияние оказывает В_m - максимальная индукция насыщения в материале сердечника.

Во втором случае, по формуле (11), наибольшее влияние на габариты индуктивного элемента влияет H_макс - значение максимальной напряженности магнитного поля в сердечнике. Грубо говоря, значение H_макс характеризует способность материала сердечника аккумулировать энергию.

Таким образом, в случае использования прямоходовой схемы однотактного преобразователя необходимо выбирать материал с наибольшей индукцией насыщения, случае обратноходовой – с наибольшей напряженностью магнитного поля внутри сердечника. Наибольшей напряженностью магнитного поля обладают альсиферы и пресспермы, но площадь гистерезиса у альсиферов выше, что означает, что они будут иметь большие потери. Поэтому выберем для материала сердечника пресспермы серии МП.

Методика инженерного расчета однотактного обратноходового преобразователя с высокочастотным трансформатором

Расчет силовой части источника питания целесообразно проводить при помощи программных средств, например программы MathCAD 14. Как правило, входными параметрами для расчета однотактного обратноходового преобразователя являются:

U_вх - входное постоянное напряжение преобразователя;

U_вых - амплитуда выходного напряжения преобразователя;

P - расчетная мощность преобразователя;

f - частота преобразователя (зависит от параметров используемого ключевого элемента).

Параметры, которые следует учитывать:

n - предполагаемый КПД преобразователя;

U_diod - падение напряжения на выходном диоде;

t_вв - отношение включенного/выключенного состояния ключевого элемента.

Для примера зададимся следующими величинами: 30 кГц, U_вх = 500 В;
U_вых = 300 В; P = 300 Вт; f = 30 кГц; n = 0.8; U_diod - 1.5 В; t_вв = 0.5.

Исходя из частоты преобразователя выбирается материал сердечника. Мы уже выбрали пресспермы марки МП для сердечника ТР. Обратимся к их параметрам (таблица 2) [5]. Исходя из наибольшей магнитной проницаемости и значения предельной частоты выберем материал МП 250.

Далее выберем рабочую точку на кривой изменения проницаемости от напряженности внешнего поля. Как правило, чтобы ТР не заходил в область насыщения, выбирают рабочую точку при индукции в районе 80% от максимальной индукции насыщения (рисунок 4 а). Далее выбирают геометрические параметры магнитопровода либо из серийных моделей магнитопроводов, либо на заказ. Проведем расчет для тороидального сердечника, т.к. его результаты достаточно просто распространить на магнитопровод произвольной формы. Таким образом мы зададимся следующими параметрами магнитопровода (рисунок 4):

B - значение магнитной индукции в сердечнике;

H - значение напряженности магнитного поля в сердечнике;

m - значение магнитной проницаемости сердечника;

D - внешний диаметр кольца;

d - внутренний диметр кольца;

h - высота кольца.

Параметры, которые следует учитывать: магнитная постоянная m₀ = 4πЧ10^-7.

Исходя из магнитных параметров (рисунок 4) и типоразмеров сердечников (таблица 4 [5]) зададимся следующими параметрами: B = 0.65 Тл; H = 4000 А/м; m = 160; D = 52 мм; d = 36 мм; h = 14 мм.

Расчет источника производится по формулам (2-15):

Ток первичной обмотки исходя из уравнения мощности:

Амплитуда тока первичной обмотки:

Исходя из условия баланса энергия преобразователя равна энергии, запасенной в магнитопроводе ТР:

Из формулы (9) выразим индуктивность:

Геометрические параметры сердечника; длинна средней линии, площадь сечения магнитопровода и его объем:

Связь параметров катушки и напряженности магнитного поля внутри него:

Индуктивность катушки:

Исходя из (15), учитывая формулы (14) и (15) получим минимально необходимый объем магнитопровода для того, чтобы при заданной напряженности магнитного поля и индукции запасти в нем необходимую энергию:

Рассчитывая минимально необходимый объем и рассчитанный объем выбранного сердечника разработчик рассчитывает сколько колец ему потребуется. В случае, если число колец превышает 3, целесообразно перейти на более крупное кольцо. Следует также учесть, что окно магнитопровода будет занято обмотками ТР. Исходя из типа выбранного сердечника (с скругленными торцами) нецелесообразно соединять вместе более 2-х колец.

Из формулы (15) выразим необходимое количество витков первичной обмотки:

Коэффициент трансформации напряжения:

Выразим число витков вторичной обмотки ТР, учитывая падение напряжения на выпрямительном диоде:

Исходя из действующего значения тока первичной и вторичной обмоток, выберем сечение их проводов. Далее рассчитаем в процентном соотношении площадь окна магнитопровода, занимаемую проводом:

Рекомендуется не занимать более 50% окна магнитопровода (учитывая изоляцию).

Внешний вид расчетного поля программы MathCAD 14 представлен на рисунке 5. В верхней части поля задаются входные параметры. При расчете контролируется, чтобы количество выбранных сердечников не превышало двух. По действующему значению тока выбирается сечение провода и рассчитывается процент занимаемой проводом площади окна магнитопровода. В программе удобно менять данные, наблюдая за изменением расчетных параметров.

Расчет дал следующие результаты:

I_вх = 0.75 А; I_вых = 1.25 А; w₁ = 92; w₂ = 56; H = 2004 А/м; процент занимаемой проводом площади окна магнитопровода менее 6%.

Моделирование высокочастотного трансформатора в составе однотактного обратноходового преобразователя

Моделирование источника питания, содержащего высокочастотный трансформатор целесообразно начинать с моделирования материала сердечника. В случае, если программный пакет не располагает необходимым материалом, его можно задать самостоятельно с помощью встроенных средств на основе информации о материале, доступной на сайте производителя или из справочников. Окно создания модели и ввода параметров материала сердечника представлено на рисунке 6. В правом верхнем углу задаются точки гистерезиса материала. Наибольшее значение для расчета имеет значение максимальной индукции и напряженности, развиваемые в материале, значение остаточной магнитной индукции и коэрцитивная сила.

В правом нижнем углу содержится информация о геометрических параметрах сердечника (можно редактировать после создания модели для каждой схемы отдельно) и некоторые отдельные параметры, влияющие на форму гистерезиса. Подробнее эти параметры описаны в таблице 4.

Моделирование целесообразно проводить в два этапа. С начала сделать "идеальную" модель преобразователя с сердечником (с учетом индуктивности рассеяния, с идеальным источником напряжения и ключом V-Svitch и т.д.). После этого целесообразно выбрать модель схемы управления и ключевого элемента, ввести в схему паразитные параметры и дополнительные цепочки защиты.

Идеализированная модель преобразователя изображена на рисунке 7. Дополнительная цепочка, реализованная на диодах D1, D2, индуктивности L4 и конденсаторе C2 служит для отбора мощности индуктивности рассеяния трансформатора L3 [2]. Индуктивность и емкость рассчитываются из соображения при заданном токе/напряжении поглощать энергию индуктивности рассеяния, которая, как правило, на практике принимает значение до 10 % от индуктивности первичной обмотки. Таким образом можно избежать опасного перенапряжение на транзисторе.

Наибольший интерес при моделировании источника питания представляют собой следующие величины (рисунок 8):

· выходное напряжение преобразователя;

· значение индукции, развиваемое в сердечнике;

· токи первичной и вторичной обмоток трансформатора.

По полученному значению индукции контролируют, чтобы индукция не выходила в область насыщения, в которой сердечник теряет свои магнитные свойства. Это наиболее актуально для ТР, работающих в режимах однополярных токов (подробнее [4]). По значению токов выбирают сечение провода первичной и вторичной обмоток ТР.

Заключение

Расчет реальных магнитных процессов в сердечнике трансформатора является крайне сложной задачей. Наиболее целесообразно проводить его с помощью специализированных математических программ. Рассмотренная в статье методика инженерного расчета и моделирования индуктивного элемента в программе Microcap 9 позволяет существенно упростить данную задачу.

Литература

1. Найвельт Г.С., Мазель К.Б. и др. Источники электропитания радиоэлектронной аппаратуры: Справочник под ред. Найвельта Г.С. - М.: Радио и связь, 1985. - 576 с.

2. Березин О.К., Костников В.Г., Шахнов В.А. Источники электропитания РЭА. - М.: "Три Л", 2000. - 400 с.

3. Irving M. Gottlieb Power Supplies, Switching Regulators, Inverters, and Converters, 2nd edition. – «McGraw-Hill», 1994

4. Семенов Б.Ю. Силовая электроника: от простого к сложному. – М.: СОЛОН-Пресс, 2005. – 416 с.: ил. (Серия «Библиотека инженера»)

5. http://rusgates.ru/ Официальный сайт производителя магнитных сердечников ОАО "Ферроприбор" (дочерние предприятия ООО "Нева-Феррит" и ООО "Магнит")

6. Микросхемы для импульсных источников питания и их применение. 2-е изд., испр. и доп. – М.: Издательский дом «Додэка-XXI», 2001. – 608 с.

7. Амелина М.А., Амелин С.А. Программа схемотехнического моделирования Micro-Cap 8. –М.: Горячая линия-Телеком, 2007. – 464 с. ил.