أخبار

ملخص

تعد المحاثات مكونات مهمة جدًا في تبديل المحولات، مثل تخزين الطاقة ومرشحات الطاقة.هناك أنواع عديدة من المحرِّضات، مثل التطبيقات المختلفة (من التردد المنخفض إلى التردد العالي)، أو المواد الأساسية المختلفة التي تؤثر على خصائص المحرِّض، وما إلى ذلك.المحاثات المستخدمة في تبديل المحولات هي مكونات مغناطيسية عالية التردد.ومع ذلك، نظرًا لعوامل مختلفة مثل المواد وظروف التشغيل (مثل الجهد والتيار) ودرجة الحرارة المحيطة، فإن الخصائص والنظريات المقدمة مختلفة تمامًا.ولذلك، في تصميم الدائرة، بالإضافة إلى المعلمة الأساسية لقيمة الحث، لا يزال من الضروري النظر في العلاقة بين مقاومة المحث ومقاومة التيار المتردد والتردد، وفقدان النواة وخصائص تيار التشبع، وما إلى ذلك.ستقدم هذه المقالة العديد من المواد الأساسية المهمة للمحثات وخصائصها، كما ستوجه مهندسي الطاقة لاختيار المحاثات القياسية المتاحة تجاريًا.

مقدمة

المحث هو أحد مكونات الحث الكهرومغناطيسي، والذي يتكون عن طريق لف عدد معين من الملفات (الملف) على بكرة أو قلب بسلك معزول.يُسمى هذا الملف بملف الحث أو المحث.وفقًا لمبدأ الحث الكهرومغناطيسي، عندما يتحرك الملف والمجال المغناطيسي بالنسبة لبعضهما البعض، أو يولد الملف مجالًا مغناطيسيًا متناوبًا من خلال تيار متناوب، سيتم توليد جهد مستحث لمقاومة تغيير المجال المغناطيسي الأصلي، وهذه الخاصية لتقييد التغيير الحالي تسمى الحث.

صيغة قيمة الحث هي كالصيغة (1)، والتي تتناسب طرديًا مع النفاذية المغناطيسية، ومربع الملف يتحول إلى N، ومساحة المقطع العرضي للدائرة المغناطيسية المكافئة Ae، وتتناسب عكسيًا مع طول الدائرة المغناطيسية المكافئة. .هناك أنواع عديدة من الحث، كل منها مناسب لتطبيقات مختلفة؛ترتبط الحث بالشكل والحجم وطريقة اللف وعدد اللفات ونوع المادة المغناطيسية المتوسطة.

(1)

اعتمادًا على شكل القلب الحديدي، تشتمل التحريض على حلقي ونواة E وأسطوانة؛فيما يتعلق بالمواد الأساسية الحديدية، يوجد بشكل أساسي قلب خزفي ونوعين مغناطيسيين ناعمين.هم الفريت ومسحوق معدني.اعتمادًا على الهيكل أو طريقة التغليف، يوجد جرح سلكي، متعدد الطبقات، ومقولب، وجرح السلك به غير محمي ونصف من الغراء المغناطيسي محمي (شبه محمي) ومحمي (محمي)، إلخ.

يعمل المحث كدائرة قصر في التيار المباشر، ويقدم مقاومة عالية للتيار المتردد.تشمل الاستخدامات الأساسية في الدوائر الاختناق والتصفية والضبط وتخزين الطاقة.في تطبيق محول التبديل، يعد المحث أهم مكون لتخزين الطاقة، ويشكل مرشح تمرير منخفض مع مكثف الإخراج لتقليل تموج جهد الخرج، لذلك يلعب أيضًا دورًا مهمًا في وظيفة الترشيح.

ستقدم هذه المقالة المواد الأساسية المختلفة للمحرِّضات وخصائصها، بالإضافة إلى بعض الخصائص الكهربائية للمحرِّضات، كمرجع تقييم مهم لاختيار المحرِّضات أثناء تصميم الدوائر.في المثال التطبيقي، سيتم عرض كيفية حساب قيمة الحث وكيفية اختيار محث قياسي متاح تجاريًا من خلال أمثلة عملية.

نوع المادة الأساسية

المحاثات المستخدمة في تبديل المحولات هي مكونات مغناطيسية عالية التردد.تؤثر المادة الأساسية الموجودة في المركز بشكل كبير على خصائص المحرِّض، مثل الممانعة والتردد، وقيمة الحث والتردد، أو خصائص تشبع القلب.فيما يلي مقارنة بين العديد من المواد الأساسية الحديدية الشائعة وخصائص تشبعها كمرجع مهم لاختيار محاثات الطاقة:

1. قلب السيراميك

يعتبر قلب السيراميك أحد مواد الحث الشائعة.يتم استخدامه بشكل أساسي لتوفير الهيكل الداعم المستخدم عند لف الملف.ويسمى أيضًا "مغو الهواء الأساسي".نظرًا لأن قلب الحديد المستخدم عبارة عن مادة غير مغناطيسية ذات معامل درجة حرارة منخفض جدًا، فإن قيمة الحث مستقرة جدًا في نطاق درجة حرارة التشغيل.ومع ذلك، نظرًا للمادة غير المغناطيسية كوسيط، فإن الحث منخفض جدًا، وهو ليس مناسبًا جدًا لتطبيق محولات الطاقة.

2. الفريت

قلب الفريت المستخدم في المحاثات عالية التردد بشكل عام هو مركب من الفريت يحتوي على زنك النيكل (NiZn) أو زنك المنغنيز (MnZn)، وهو عبارة عن مادة مغناطيسية مغناطيسية ناعمة ذات إكراه منخفض.يوضح الشكل 1 منحنى التباطؤ (حلقة BH) للنواة المغناطيسية العامة.تُسمى القوة القسرية HC للمادة المغناطيسية أيضًا بالقوة القسرية، مما يعني أنه عندما يتم ممغنطة المادة المغناطيسية إلى التشبع المغناطيسي، فإن مغنطتها (المغنطة) تنخفض إلى صفر قوة المجال المغناطيسي المطلوبة في ذلك الوقت.انخفاض الإكراه يعني مقاومة أقل لإزالة المغناطيسية ويعني أيضًا انخفاض فقدان التباطؤ.

تتمتع فريتات المنغنيز والزنك والنيكل والزنك بنفاذية نسبية عالية نسبيًا (μr)، حوالي 1500-15000 و100-1000 على التوالي.نفاذيتها المغناطيسية العالية تجعل النواة الحديدية أعلى في حجم معين.الحث.ومع ذلك، فإن العيب هو أن تيار التشبع المسموح به منخفض، وبمجرد تشبع قلب الحديد، ستنخفض النفاذية المغناطيسية بشكل حاد.ارجع إلى الشكل 4 للتعرف على الاتجاه التنازلي للنفاذية المغناطيسية لنوى الفريت ومسحوق الحديد عندما يكون قلب الحديد مشبعًا.مقارنة.عند استخدامها في محاثات الطاقة، سيتم ترك فجوة هوائية في الدائرة المغناطيسية الرئيسية، والتي يمكن أن تقلل من النفاذية، وتجنب التشبع وتخزين المزيد من الطاقة؛عندما يتم تضمين فجوة الهواء، يمكن أن تكون النفاذية النسبية المكافئة حوالي 20- بين 200. وبما أن المقاومة العالية للمادة نفسها يمكن أن تقلل من الخسارة الناجمة عن التيار الدوامي، فإن الخسارة تكون أقل عند الترددات العالية، وهي أكثر ملاءمة ل المحولات عالية التردد، محاثات مرشح EMI ومحثات تخزين الطاقة لمحولات الطاقة.من حيث تردد التشغيل، يعتبر فريت النيكل والزنك مناسبًا للاستخدام (> 1 ميجاهرتز)، في حين أن فريت المنغنيز والزنك مناسب لنطاقات التردد المنخفضة (<2 ميجاهرتز).

1

الشكل 1. منحنى التباطؤ للنواة المغناطيسية (BR: الثبات، BSAT: كثافة التدفق المغناطيسي التشبع)

3. مسحوق الحديد الأساسية

نوى مسحوق الحديد هي أيضًا مواد مغناطيسية ناعمة.وهي مصنوعة من سبائك مسحوق الحديد من مواد مختلفة أو مسحوق الحديد فقط.تحتوي الصيغة على مواد غير مغناطيسية بأحجام جسيمات مختلفة، وبالتالي فإن منحنى التشبع لطيف نسبيًا.قلب مسحوق الحديد هو في الغالب حلقي.ويبين الشكل 2 قلب مسحوق الحديد وطريقة عرض مقطعه.

تشتمل نوى الحديد المسحوق الشائعة على سبائك الحديد والنيكل والموليبدينوم (MPP)، والسندست (Sendust)، وسبائك الحديد والنيكل (التدفق العالي)، ونواة مسحوق الحديد (مسحوق الحديد).بسبب اختلاف المكونات، تختلف خصائصها وأسعارها أيضًا، مما يؤثر على اختيار المحاثات.فيما يلي عرض للأنواع الأساسية المذكورة أعلاه ومقارنة خصائصها:

أ. سبائك الحديد والنيكل والموليبدينوم (MPP)

يتم اختصار سبيكة Fe-Ni-Mo كـ MPP، وهو اختصار لمسحوق الموليبيرمالوي.النفاذية النسبية حوالي 14-500، وكثافة التدفق المغناطيسي التشبع حوالي 7500 غاوس (غاوس)، وهو أعلى من كثافة التدفق المغناطيسي التشبع من الفريت (حوالي 4000-5000 غاوس).العديد من الخروج.يتمتع MPP بأصغر نسبة فقدان للحديد ويتمتع بأفضل ثبات في درجة الحرارة بين نوى الحديد المسحوق.عندما يصل تيار التيار المستمر الخارجي إلى تيار التشبع ISAT، تنخفض قيمة الحث ببطء دون توهين مفاجئ.يتمتع MPP بأداء أفضل ولكن بتكلفة أعلى، ويستخدم عادة كمحث للطاقة وتصفية EMI لمحولات الطاقة.

ب.سندوست

إن قلب الحديد من سبائك الحديد والسليكون والألومنيوم عبارة عن قلب من سبائك الحديد يتكون من الحديد والسيليكون والألومنيوم، مع نفاذية مغناطيسية نسبية تبلغ حوالي 26 إلى 125. ويكون فقدان الحديد بين قلب مسحوق الحديد وMPP وسبائك الحديد والنيكل. .كثافة التدفق المغناطيسي التشبع أعلى من MPP، حوالي 10500 غاوس.استقرار درجة الحرارة وخصائص تيار التشبع أقل قليلاً من MPP وسبائك الحديد والنيكل، ولكنها أفضل من مسحوق الحديد ونواة الفريت، والتكلفة النسبية أرخص من MPP وسبائك الحديد والنيكل.يتم استخدامه في الغالب في تصفية EMI ودوائر تصحيح عامل الطاقة (PFC) ومحثات الطاقة لتبديل محولات الطاقة.

ج. سبائك الحديد والنيكل (التدفق العالي)

يتكون قلب سبائك الحديد والنيكل من الحديد والنيكل.النفاذية المغناطيسية النسبية حوالي 14-200.فقدان الحديد واستقرار درجة الحرارة بين MPP وسبائك الحديد والسيليكون والألومنيوم.يتمتع قلب سبائك الحديد والنيكل بأعلى كثافة تدفق مغناطيسي تشبع، حوالي 15000 غاوس، ويمكنه تحمل تيارات انحياز تيار مستمر أعلى، كما أن خصائص انحياز تيار مستمر أفضل أيضًا.نطاق التطبيق: تصحيح عامل الطاقة النشط، محاثة تخزين الطاقة، محاثة المرشح، محول التردد العالي لمحول flyback، إلخ.

د- مسحوق الحديد

يتكون قلب مسحوق الحديد من جزيئات مسحوق الحديد عالية النقاء مع جزيئات صغيرة جدًا معزولة عن بعضها البعض.عملية التصنيع تجعلها تحتوي على فجوة هوائية موزعة.بالإضافة إلى الشكل الدائري، فإن الأشكال الأساسية لمسحوق الحديد الشائعة تحتوي أيضًا على النوع E وأنواع الختم.تبلغ النفاذية المغناطيسية النسبية لقلب مسحوق الحديد حوالي 10 إلى 75، وتبلغ كثافة التدفق المغناطيسي عالية التشبع حوالي 15000 غاوس.من بين نوى مسحوق الحديد، فإن نواة مسحوق الحديد لديها أعلى خسارة للحديد ولكن بأقل تكلفة.

يوضح الشكل 3 منحنيات BH لفريت المنغنيز والزنك PC47 المصنوع بواسطة TDK ونوى الحديد المسحوق -52 و-2 المصنعة بواسطة MICROMETALS؛النفاذية المغناطيسية النسبية لفريت المنغنيز والزنك أعلى بكثير من تلك الموجودة في نوى الحديد المسحوق وهي مشبعة. كما أن كثافة التدفق المغناطيسي مختلفة تمامًا، حيث يبلغ الفريت حوالي 5000 غاوس ونواة مسحوق الحديد أكثر من 10000 غاوس.

3

الشكل 3. منحنى BH لفريت المنغنيز والزنك ونوى مسحوق الحديد من مواد مختلفة

باختصار، تختلف خصائص تشبع النواة الحديدية؛بمجرد تجاوز تيار التشبع، ستنخفض النفاذية المغناطيسية لنواة الفريت بشكل حاد، في حين يمكن أن تنخفض نواة مسحوق الحديد ببطء.يوضح الشكل 4 خصائص انخفاض النفاذية المغناطيسية لنواة مسحوق الحديد التي لها نفس النفاذية المغناطيسية والفريت مع وجود فجوة هوائية تحت قوى مجال مغناطيسي مختلفة.وهذا ما يفسر أيضًا محاثة قلب الفريت، لأن النفاذية تنخفض بشكل حاد عندما يكون القلب مشبعًا، كما يمكن رؤيته من المعادلة (1)، كما أنه يتسبب في انخفاض المحاثة بشكل حاد؛في حين أن نواة المسحوق ذات فجوة هوائية موزعة، فإن معدل النفاذية المغناطيسية ينخفض ​​ببطء عندما يكون قلب الحديد مشبعًا، وبالتالي فإن الحث يتناقص بلطف أكثر، أي أنه يتمتع بخصائص أفضل لتحيز التيار المستمر.في تطبيق محولات الطاقة، هذه الخاصية مهمة جدًا؛إذا كانت خاصية التشبع البطيء للمحث ليست جيدة، فإن تيار المحث يرتفع إلى تيار التشبع، والانخفاض المفاجئ في الحث سيؤدي إلى ارتفاع الضغط الحالي لبلورة التبديل بشكل حاد، وهو أمر من السهل أن يسبب ضررًا.

4

الشكل 4. خصائص انخفاض النفاذية المغناطيسية لنواة مسحوق الحديد ونواة حديد الفريت مع وجود فجوة هوائية تحت شدة مجال مغناطيسي مختلفة.

الخصائص الكهربائية مغو وهيكل الحزمة

عند تصميم محول التحويل واختيار مغوٍ، يجب أن تكون قيمة الحث L، والممانعة Z، ومقاومة التيار المتردد ACR وقيمة Q (عامل الجودة)، والتيار المقدر IDC وISAT، وفقدان النواة (فقد النواة) وغيرها من الخصائص الكهربائية المهمة. يعتبر.وبالإضافة إلى ذلك، فإن هيكل التعبئة والتغليف للمحث سوف يؤثر على حجم التسرب المغناطيسي، والذي بدوره يؤثر على EMI.فيما يلي سوف نناقش الخصائص المذكورة أعلاه بشكل منفصل كاعتبارات لاختيار المحاثات.

1. قيمة الحث (L)

إن قيمة الحث للمحرِّض هي أهم معلمة أساسية في تصميم الدائرة، ولكن يجب التحقق مما إذا كانت قيمة الحث مستقرة عند تردد التشغيل.عادة ما يتم قياس القيمة الاسمية للتحريض عند 100 كيلو هرتز أو 1 ميجا هرتز دون انحياز تيار مستمر خارجي.ولضمان إمكانية الإنتاج الآلي بكميات كبيرة، يكون تسامح المحث عادةً ±20% (M) و±30% (N).الشكل 5 هو الرسم البياني المميز لتردد الحث لمحث Taiyo Yuden NR4018T220M المقاس بمقياس LCR الخاص بـ Wayne Kerr.كما هو موضح في الشكل، يكون منحنى قيمة الحث مسطحًا نسبيًا قبل 5 ميجاهرتز، ويمكن اعتبار قيمة الحث ثابتة تقريبًا.في نطاق التردد العالي بسبب الرنين الناتج عن السعة الطفيلية والمحاثة، ستزداد قيمة الحث.يُسمى تردد الرنين هذا بتردد الرنين الذاتي (SRF)، والذي يحتاج عادةً إلى أن يكون أعلى بكثير من تردد التشغيل.

5

الشكل 5، مخطط قياس خاصية تردد الحث Taiyo Yuden NR4018T220M

2. المعاوقة (Z)

كما هو مبين في الشكل 6، يمكن أيضًا رؤية مخطط المعاوقة من أداء الحث عند ترددات مختلفة.تتناسب ممانعة المحرِّض تقريبًا مع التردد (Z=2πfL)، وبالتالي كلما زاد التردد، ستكون المفاعلة أكبر بكثير من مقاومة التيار المتردد، وبالتالي فإن الممانعة تتصرف مثل محاثة نقية (الطور هو 90˚).عند الترددات العالية، وبسبب تأثير السعة الطفيلية، يمكن رؤية نقطة تردد الرنين الذاتي للممانعة.بعد هذه النقطة، تنخفض الممانعة وتصبح سعوية، ويتغير الطور تدريجياً إلى -90 درجة مئوية.

6

3. قيمة Q ومقاومة التيار المتردد (ACR)

قيمة Q في تعريف الحث هي نسبة المفاعلة إلى المقاومة، أي نسبة الجزء التخيلي إلى الجزء الحقيقي من الممانعة، كما في الصيغة (2).

(2)

حيث XL هي مفاعلة المحرِّض، وRL هي مقاومة التيار المتردد للمحرِّض.

في نطاق التردد المنخفض، تكون مقاومة التيار المتردد أكبر من المفاعلة الناتجة عن الحث، لذلك تكون قيمة Q منخفضة جدًا؛مع زيادة التردد، تصبح المفاعلة (حوالي 2πfL) أكبر وأكبر، حتى لو كانت المقاومة بسبب تأثير الجلد (تأثير الجلد) وتأثير القرب (القرب)) يصبح التأثير أكبر وأكبر، وتظل قيمة Q تزداد مع التردد ;عند الاقتراب من SRF، يتم تعويض المفاعلة الحثية تدريجيًا بواسطة المفاعلة السعوية، وتصبح قيمة Q أصغر تدريجيًا؛عندما يصبح SRF صفرًا، لأن المفاعلة الحثية والمفاعلة السعوية متطابقتان تمامًا.ويبين الشكل 7 العلاقة بين قيمة Q وتردد NR4018T220M، والعلاقة على شكل جرس مقلوب.

7

الشكل 7. العلاقة بين قيمة Q وتردد مغو Taiyo Yuden NR4018T220M

في نطاق تردد تطبيق الحث، كلما ارتفعت قيمة Q، كلما كان ذلك أفضل؛فهذا يعني أن مفاعلتها أكبر بكثير من مقاومة التيار المتردد.بشكل عام، أفضل قيمة Q هي أعلى من 40، مما يعني أن جودة المحرِّض جيدة.ومع ذلك، بشكل عام مع زيادة انحياز التيار المستمر، ستنخفض قيمة الحث وستنخفض قيمة Q أيضًا.إذا تم استخدام سلك مطلي بالمينا مسطح أو سلك مطلي بالمينا متعدد الخيوط، فيمكن تقليل تأثير الجلد، أي مقاومة التيار المتردد، ويمكن أيضًا زيادة قيمة Q للمحث.

تعتبر مقاومة التيار المستمر DCR بشكل عام بمثابة مقاومة التيار المستمر للسلك النحاسي، ويمكن حساب المقاومة وفقًا لقطر السلك وطوله.ومع ذلك، فإن معظم محاثات SMD ذات التيار المنخفض ستستخدم اللحام بالموجات فوق الصوتية لتصنيع صفيحة النحاس الخاصة بـ SMD عند طرف اللف.ومع ذلك، نظرًا لأن السلك النحاسي ليس طويل الطول وقيمة المقاومة ليست عالية، فغالبًا ما تمثل مقاومة اللحام نسبة كبيرة من مقاومة التيار المباشر الإجمالية.بأخذ محث SMD ملفوف بالأسلاك CLF6045NIT-1R5N من TDK كمثال، فإن مقاومة التيار المستمر المقاسة هي 14.6mΩ، ومقاومة التيار المستمر المحسوبة على أساس قطر السلك وطوله هي 12.1mΩ.أظهرت النتائج أن مقاومة اللحام تمثل حوالي 17% من إجمالي مقاومة التيار المستمر.

مقاومة التيار المتردد ACR لها تأثير الجلد وتأثير القرب، مما يؤدي إلى زيادة ACR مع التردد؛في تطبيق الحث العام، لأن مكون التيار المتردد أقل بكثير من مكون التيار المستمر، فإن التأثير الناجم عن ACR ليس واضحًا؛ولكن عند التحميل الخفيف، نظرًا لتقليل مكون التيار المستمر، لا يمكن تجاهل الخسارة الناجمة عن ACR.ويعني تأثير الجلد أنه في ظل ظروف التيار المتردد، يكون توزيع التيار داخل الموصل غير متساوٍ ومتركز على سطح السلك، مما يؤدي إلى انخفاض في مساحة المقطع العرضي للسلك المكافئ، مما يؤدي بدوره إلى زيادة المقاومة المكافئة للسلك مع تكرار.بالإضافة إلى ذلك، في لف السلك، فإن الأسلاك المجاورة ستتسبب في إضافة وطرح المجالات المغناطيسية بسبب التيار، بحيث يتركز التيار على السطح المجاور للسلك (أو السطح الأبعد، حسب اتجاه التيار )، والذي يتسبب أيضًا في اعتراض الأسلاك المكافئة.إن ظاهرة انخفاض المساحة وزيادة المقاومة المكافئة هي ما يسمى بتأثير القرب؛في تطبيق الحث لملف متعدد الطبقات، يكون تأثير القرب أكثر وضوحًا.

8

يوضح الشكل 8 العلاقة بين مقاومة التيار المتردد وتردد مغو SMD ذو السلك الملفوف NR4018T220M.عند تردد 1 كيلو هرتز، تبلغ المقاومة حوالي 360 ميجا أوم؛عند 100 كيلو هرتز، ترتفع المقاومة إلى 775 ميجا أوم؛عند تردد 10 ميجاهرتز، تقترب قيمة المقاومة من 160 أوم.عند تقدير فقدان النحاس، يجب أن يأخذ الحساب في الاعتبار ACR الناتج عن تأثيرات الجلد والقرب، وتعديله إلى الصيغة (3).

4. تيار التشبع (ISAT)

تيار التشبع ISAT هو عمومًا تيار التحيز الذي يتم تحديده عندما يتم تخفيف قيمة الحث مثل 10% أو 30% أو 40%.بالنسبة للفريت ذو الفجوة الهوائية، نظرًا لأن خاصية تيار التشبع الخاصة به سريعة جدًا، فلا يوجد فرق كبير بين 10% و40%.ارجع إلى الشكل 4. ومع ذلك، إذا كان نواة مسحوق الحديد (مثل مغو مختوم)، يكون منحنى التشبع لطيفًا نسبيًا، كما هو موضح في الشكل 9، ويكون التيار المتحيز عند 10% أو 40% من توهين الحث كثيرًا مختلفة، لذلك سيتم مناقشة قيمة تيار التشبع بشكل منفصل لنوعي الحديد النوى على النحو التالي.

بالنسبة للفريت ذو الفجوة الهوائية، فمن المعقول استخدام ISAT كحد أعلى لتيار المحث الأقصى لتطبيقات الدوائر.ومع ذلك، إذا كان نواة مسحوق حديد، نظرًا لخاصية التشبع البطيء، فلن تكون هناك مشكلة حتى لو تجاوز الحد الأقصى لتيار دائرة التطبيق ISAT.ولذلك، فإن خاصية اللب الحديدي هذه هي الأكثر ملاءمة لتحويل تطبيقات المحولات.تحت الحمل الثقيل، على الرغم من أن قيمة الحث للمحث منخفضة، كما هو موضح في الشكل 9، فإن عامل التموج الحالي مرتفع، ولكن التسامح الحالي للمكثف مرتفع، لذلك لن يكون هناك مشكلة.تحت الحمل الخفيف، تكون قيمة الحث للمحرِّض أكبر، مما يساعد على تقليل تيار التموج للمحرِّض، وبالتالي تقليل فقدان الحديد.يقارن الشكل 9 منحنى تيار التشبع لفريت الجرح SLF7055T1R5N الخاص بـ TDK ومحث قلب مسحوق الحديد المختوم SPM6530T1R5M تحت نفس القيمة الاسمية للحث.

9

الشكل 9. منحنى التشبع الحالي لفريت الجرح ونواة مسحوق الحديد المختوم تحت نفس القيمة الاسمية للتحريض

5. التصنيف الحالي (IDC)

قيمة IDC هي انحياز التيار المستمر عندما ترتفع درجة حرارة المحث إلى Tr˚C.تشير المواصفات أيضًا إلى قيمة مقاومة التيار المستمر RDC عند 20 درجة مئوية.وفقًا لمعامل درجة حرارة السلك النحاسي حوالي 3,930 جزء في المليون، عندما ترتفع درجة حرارة Tr، تكون قيمة مقاومته RDC_Tr = RDC (1+0.00393Tr)، واستهلاك الطاقة الخاص به هو PCU = I2DCxRDC.يتبدد فقدان النحاس هذا على سطح المحرِّض، ويمكن حساب المقاومة الحرارية ΘTH للمحرِّض:

(2)

يشير الجدول 2 إلى ورقة البيانات الخاصة بسلسلة TDK VLS6045EX (6.0×6.0×4.5 مم)، ويحسب المقاومة الحرارية عند ارتفاع درجة الحرارة بمقدار 40 درجة مئوية.من الواضح، بالنسبة للمحرِّضات من نفس السلسلة والحجم، أن المقاومة الحرارية المحسوبة هي نفسها تقريبًا بسبب نفس مساحة تبديد الحرارة السطحية؛وبعبارة أخرى، يمكن تقدير IDC الحالي المقنن لمحاثات مختلفة.سلسلة (حزم) مختلفة من المحاثات لها مقاومات حرارية مختلفة.يقارن الجدول 3 المقاومة الحرارية للمحاثات من سلسلة TDK VLS6045EX (شبه محمية) وسلسلة SPM6530 (مصبوبة).كلما كانت المقاومة الحرارية أكبر، كلما ارتفع ارتفاع درجة الحرارة المتولدة عندما يتدفق الحث عبر تيار الحمل؛خلاف ذلك، أقل.

(2)

الجدول 2. المقاومة الحرارية لمحاثات سلسلة VLS6045EX عند ارتفاع درجة الحرارة بمقدار 40 درجة مئوية

يمكن أن نرى من الجدول 3 أنه حتى لو كان حجم المحاثات متشابهًا، فإن المقاومة الحرارية للمحثات المختومة منخفضة، أي أن تبديد الحرارة أفضل.

(3)

الجدول 3. مقارنة المقاومة الحرارية لمحاثات الحزمة المختلفة.

6. الخسارة الأساسية

فقدان النواة، والذي يشار إليه بفقد الحديد، يحدث بشكل رئيسي بسبب فقدان التيار الدوامي وفقدان التباطؤ.يعتمد حجم فقدان التيار الدوامي بشكل أساسي على ما إذا كانت المادة الأساسية سهلة "التوصيل"؛إذا كانت الموصلية عالية، أي المقاومة منخفضة، وفقدان التيار الدوامي مرتفع، وإذا كانت مقاومة الفريت عالية، فإن فقدان التيار الدوامي منخفض نسبيا.ترتبط خسارة التيار الدوامي أيضًا بالتردد.كلما زاد التردد، زادت خسارة التيار الدوامي.ولذلك، فإن المادة الأساسية سوف تحدد تردد التشغيل المناسب للنواة.بشكل عام، يمكن أن يصل تردد عمل نواة مسحوق الحديد إلى 1 ميجا هرتز، ويمكن أن يصل تردد عمل الفريت إلى 10 ميجا هرتز.إذا تجاوز تردد التشغيل هذا التردد، فإن فقدان التيار الدوامي سيزداد بسرعة وستزداد أيضًا درجة حرارة قلب الحديد.ومع ذلك، مع التطور السريع للمواد الأساسية الحديدية، يجب أن تكون النوى الحديدية ذات ترددات التشغيل الأعلى قاب قوسين أو أدنى.

فقدان الحديد الآخر هو فقدان التباطؤ، والذي يتناسب مع المساحة المحاطة بمنحنى التباطؤ، والذي يرتبط بسعة التأرجح لمكون التيار المتردد للتيار؛كلما زاد تأرجح التيار المتردد، زاد فقدان التباطؤ.

في الدائرة المكافئة للمحرِّض، تُستخدم غالبًا مقاومة متصلة على التوازي مع المحرِّض للتعبير عن فقدان الحديد.عندما يكون التردد مساويًا لـ SRF، تلغي المفاعلة الحثية والمفاعلة السعوية، وتكون المفاعلة المكافئة صفرًا.في هذا الوقت، مقاومة الحث تعادل مقاومة فقدان الحديد على التوالي مع مقاومة اللف، ومقاومة فقدان الحديد أكبر بكثير من مقاومة اللف، وبالتالي فإن المعاوقة عند SRF تساوي تقريبًا مقاومة فقدان الحديد.لنأخذ محثًا ذو جهد منخفض كمثال، فإن مقاومته لفقد الحديد تبلغ حوالي 20 كيلو أوم.إذا تم تقدير قيمة الجهد الفعال عند طرفي المحرِّض بـ 5V، فإن فقدان الحديد يبلغ حوالي 1.25 ميجاوات، وهو ما يوضح أيضًا أنه كلما زادت مقاومة فقدان الحديد، كلما كان ذلك أفضل.

7. هيكل الدرع

يشتمل هيكل التعبئة والتغليف لمحثات الفريت على غير محمية، وشبه محمية بغراء مغناطيسي، ومحمية، وتوجد فجوة هوائية كبيرة في أي منهما.من الواضح أن فجوة الهواء سيكون لها تسرب مغناطيسي، وفي أسوأ الحالات، سوف تتداخل مع دوائر الإشارة الصغيرة المحيطة، أو إذا كانت هناك مادة مغناطيسية قريبة، فسيتم أيضًا تغيير محاثتها.هيكل التعبئة والتغليف الآخر هو مغو مسحوق الحديد المختوم.نظرًا لعدم وجود فجوة داخل المحث وبنية الملف صلبة، فإن مشكلة تبديد المجال المغناطيسي صغيرة نسبيًا.الشكل 10 هو استخدام وظيفة FFT في راسم الذبذبات RTO 1004 لقياس حجم المجال المغناطيسي المتسرب عند 3 مم أعلى وعلى جانب المحث المختوم.يسرد الجدول 4 مقارنة المجال المغناطيسي المتسرب لمحثات بنية الحزمة المختلفة.ويمكن ملاحظة أن المحاثات غير المحمية لديها أخطر تسرب مغناطيسي؛تتمتع المحاثات المختومة بأصغر تسرب مغناطيسي، مما يظهر أفضل تأثير للتدريع المغناطيسي..يبلغ الفرق في حجم المجال المغناطيسي المتسرب لمحثات هذين الهيكلين حوالي 14 ديسيبل، وهو ما يقرب من 5 مرات.

10

الشكل 10. حجم المجال المغناطيسي المتسرب مقاس 3 مم أعلى وعلى جانب المحرِّض المختوم

(4)

الجدول 4. مقارنة المجال المغناطيسي للتسرب من محاثات هيكل الحزمة المختلفة

8. اقتران

في بعض التطبيقات، توجد في بعض الأحيان مجموعات متعددة من محولات التيار المستمر على PCB، والتي عادة ما يتم ترتيبها بجانب بعضها البعض، كما يتم ترتيب المحاثات المقابلة لها بجوار بعضها البعض.إذا كنت تستخدم نوعًا غير محمي أو شبه محمي مع غراء مغناطيسي، فقد تقترن المحثات مع بعضها البعض لتكوين تداخل EMI.لذلك، عند وضع المحث، يوصى بوضع علامة على قطبية المحث أولاً، وتوصيل نقطة البداية واللف للطبقة الداخلية للمحث بجهد التحويل للمحول، مثل VSW لمحول باك، وهي نقطة الحركة.يتم توصيل طرف المخرج بمكثف الإخراج، وهو النقطة الثابتة؛وبالتالي فإن لف الأسلاك النحاسية يشكل درجة معينة من حماية المجال الكهربائي.في ترتيب الأسلاك لمضاعف الإرسال، يساعد تثبيت قطبية الحث على تثبيت حجم الحث المتبادل وتجنب بعض مشاكل EMI غير المتوقعة.

التطبيقات:

ناقش الفصل السابق المادة الأساسية وهيكل العبوة والخصائص الكهربائية المهمة للمحث.سوف يشرح هذا الفصل كيفية اختيار قيمة الحث المناسبة لمحول باك والاعتبارات الخاصة باختيار مغو متاح تجاريا.

كما هو موضح في المعادلة (5)، فإن قيمة المحث وتردد التبديل للمحول سوف يؤثران على تيار تموج المحث (ΔiL).سوف يتدفق تيار تموج الحث عبر مكثف الخرج ويؤثر على تيار التموج لمكثف الخرج.ولذلك، فإنه سوف يؤثر على اختيار مكثف الإخراج ويؤثر بشكل أكبر على حجم تموج جهد الخرج.علاوة على ذلك، فإن قيمة الحث وقيمة سعة الخرج ستؤثر أيضًا على تصميم التغذية المرتدة للنظام والاستجابة الديناميكية للحمل.إن اختيار قيمة حث أكبر يؤدي إلى ضغط تيار أقل على المكثف، وهو مفيد أيضًا في تقليل تموج جهد الخرج ويمكن تخزين المزيد من الطاقة.ومع ذلك، تشير قيمة الحث الأكبر إلى حجم أكبر، أي تكلفة أعلى.لذلك، عند تصميم المحول، فإن تصميم قيمة الحث مهم جدًا.

(5)

يمكن أن نرى من الصيغة (5) أنه عندما تكون الفجوة بين جهد الدخل وجهد الخرج أكبر، فإن تيار تموج المحرِّض سيكون أكبر، وهو أسوأ حالة لتصميم المحرِّض.إلى جانب التحليل الاستقرائي الآخر، يجب عادةً اختيار نقطة تصميم الحث لمحول التنحي تحت ظروف أقصى جهد دخل وحمل كامل.

عند تصميم قيمة الحث، من الضروري إجراء مقايضة بين تيار تموج المحث وحجم المحث، ويتم تعريف عامل تيار التموج (عامل تيار التموج؛ γ) هنا، كما في الصيغة (6).

(6)

باستبدال الصيغة (6) في الصيغة (5)، يمكن التعبير عن قيمة الحث بالصيغة (7).

(7)

وفقًا للصيغة (7)، عندما يكون الفرق بين جهد الإدخال والإخراج أكبر، يمكن تحديد قيمة أكبر؛على العكس من ذلك، إذا كان جهد الإدخال والإخراج أقرب، يجب أن يكون تصميم قيمة γ أصغر.من أجل الاختيار بين تيار تموج الحث والحجم، وفقًا لقيمة تجربة التصميم التقليدية، عادة ما تكون γ من 0.2 إلى 0.5.فيما يلي أخذ RT7276 كمثال لتوضيح حساب الحث واختيار المحاثات المتاحة تجاريا.

مثال على التصميم: تم تصميمه باستخدام محول RT7276 المتقدم المستمر في الوقت المحدد (Advanced Constant On-Time؛ ACOTTM) للتصحيح المتزامن، وتردد التحويل الخاص به هو 700 كيلو هرتز، وجهد الإدخال 4.5 فولت إلى 18 فولت، وجهد الخرج 1.05 فولت. .تيار الحمل الكامل هو 3A.كما ذكر أعلاه، يجب تصميم قيمة الحث في ظل ظروف الحد الأقصى لجهد الإدخال 18 فولت والحمل الكامل 3A، ويتم أخذ قيمة γ كـ 0.35، ويتم استبدال القيمة أعلاه في المعادلة (7)، الحث القيمة

استخدم مغوًا بقيمة محاثة اسمية تقليدية تبلغ 1.5 درجة مئوية.استبدل الصيغة (5) لحساب تيار تموج الحث على النحو التالي.

ولذلك، فإن ذروة التيار للمحث هو

والقيمة الفعالة لتيار الحث (IRMS) هي

نظرًا لأن مكون تموج المحرِّض صغير، فإن القيمة الفعالة لتيار المحرِّض هي بشكل أساسي مكون DC الخاص به، ويتم استخدام هذه القيمة الفعالة كأساس لاختيار IDC الحالي المقنن للمحرِّض.مع تصميم تخفيض القدرة بنسبة 80%، فإن متطلبات الحث هي:

L = 1.5 μH (100 كيلو هرتز)، IDC = 3.77 أمبير، ISAT = 4.34 أمبير

يسرد الجدول 5 المحاثات المتاحة لسلاسل مختلفة من TDK، متشابهة في الحجم ولكنها مختلفة في بنية الحزمة.يتبين من الجدول أن تيار التشبع والتيار المقنن للمغو المختوم (SPM6530T-1R5M) كبيران، والمقاومة الحرارية صغيرة وتبديد الحرارة جيد.بالإضافة إلى ذلك، وفقًا للمناقشة الواردة في الفصل السابق، فإن المادة الأساسية للمحرِّض المختوم هي قلب مسحوق الحديد، لذلك تتم مقارنتها بالنواة الفريتية للمحثات شبه المحمية (VLS6045EX-1R5N) والمحمية (SLF7055T-1R5N) مع الغراء المغناطيسي.، يتمتع بخصائص جيدة لتحيز التيار المستمر.يوضح الشكل 11 مقارنة كفاءة المحاثات المختلفة المطبقة على محول التنحي للتصحيح المتزامن الثابت والمتقدم RT7276.وأظهرت النتائج أن فرق الكفاءة بين الثلاثة ليس كبيرا.إذا كنت تفكر في تبديد الحرارة وخصائص انحياز التيار المستمر ومشكلات تبديد المجال المغناطيسي، فمن المستحسن استخدام محاثات SPM6530T-1R5M.

(5)

الجدول 5. مقارنة المحاثات من سلسلة مختلفة من TDK

11

الشكل 11. مقارنة كفاءة المحول مع المحاثات المختلفة

إذا اخترت نفس هيكل العبوة وقيمة الحث، ولكن محاثات أصغر حجمًا، مثل SPM4015T-1R5M (4.4×4.1×1.5 مم)، على الرغم من أن حجمها صغير، إلا أن مقاومة التيار المستمر RDC (44.5mΩ) والمقاومة الحرارية ΘTH ( 51 درجة مئوية) /W) أكبر.بالنسبة للمحولات ذات المواصفات نفسها، تكون القيمة الفعالة للتيار الذي يتحمله المحرِّض هي نفسها أيضًا.من الواضح أن مقاومة التيار المستمر سوف تقلل من الكفاءة تحت الحمل الثقيل.وبالإضافة إلى ذلك، فإن المقاومة الحرارية الكبيرة تعني سوء تبديد الحرارة.لذلك، عند اختيار مغو، ليس من الضروري فقط النظر في فوائد الحجم المنخفض، ولكن أيضًا لتقييم عيوبه المصاحبة.

ختاماً

الحث هو أحد المكونات السلبية شائعة الاستخدام في تحويل محولات الطاقة، والتي يمكن استخدامها لتخزين الطاقة وتصفيتها.ومع ذلك، في تصميم الدوائر، ليس فقط قيمة الحث هي التي تحتاج إلى الاهتمام، ولكن المعلمات الأخرى بما في ذلك مقاومة التيار المتردد وقيمة Q، والتسامح الحالي، وتشبع القلب الحديدي، وهيكل الحزمة، وما إلى ذلك، كلها معلمات يجب أن تكون يؤخذ في الاعتبار عند اختيار مغو..ترتبط هذه المعلمات عادةً بالمادة الأساسية وعملية التصنيع والحجم والتكلفة.لذلك، تقدم هذه المقالة خصائص المواد الأساسية الحديدية المختلفة وكيفية اختيار الحث المناسب كمرجع لتصميم مصدر الطاقة.