Guía de selección de material de núcleo de ferrita para SMPS

En esta publicación, aprendemos cómo seleccionar material de núcleo de ferrita con las especificaciones correctas para garantizar la compatibilidad adecuada con un diseño de circuito SMPS dado.

Por qué el núcleo de ferrita

La ferrita es una maravillosa sustancia central para transformadores , inversores e inductores en el espectro de frecuencia de 20 kHz a 3 MHz, debido a los beneficios de reducir el gasto del núcleo y las pérdidas mínimas del núcleo.

La ferrita es un material eficaz para las fuentes de alimentación de inversores de alta frecuencia (20 kHz a 3 MHz).

Las ferritas deben emplearse en el enfoque de saturación para el funcionamiento de baja potencia y baja frecuencia (<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.

El modelo de 2 transformadores proporciona una eficiencia extraordinaria, una durabilidad de frecuencia fantástica y reducciones mínimas de conmutación.

Los núcleos de ferrita se utilizan comúnmente en las versiones de transformadores de retorno. , que proporcionan un costo de núcleo mínimo, un gasto de circuito reducido y una eficiencia de voltaje máxima. Los núcleos de polvo (MPP, High Flux, Kool Mμ®) producen una saturación más suave, mayor Bmax y una constancia de temperatura más ventajosa y, a menudo, es la opción preferida en una serie de inductores o usos de retorno.

Las fuentes de alimentación de alta frecuencia, ya sean inversores y convertidores, ofrecen un precio más económico y un peso y una estructura reducidos en comparación con las opciones de energía tradicionales de 60 hertz y 400 hertz.

Varios núcleos de este segmento específico son diseños típicos que se utilizan con frecuencia en la profesión.

MATERIALES BÁSICOS

Los materiales F, P y R, que facilitan las desventajas mínimas del núcleo y la densidad de flujo de saturación máxima, se recomiendan para la funcionalidad de alta potencia / alta temperatura. Los déficits del núcleo del material P disminuyen con la temperatura hasta 70 ° C. Las pérdidas de material R disminuyen hasta los 100 ° C.

Los materiales J y W le brindan una impedancia superior para transformadores anchos, lo que los hace también recomendados para transformadores de potencia de bajo nivel.

GEOMETRÍAS BÁSICAS

1) PUEDE CORES

Pot Cores, están fabricados para rodear prácticamente la bobina enrollada. Esto facilita la protección de la bobina contra la manipulación de EMI de alternativas externas.

Casi todas las proporciones del núcleo de la olla se adhieren a las especificaciones IEC para garantizar que exista intercambiabilidad entre empresas. Tanto las bobinas de circuito simple como las de circuito impreso
en el mercado, al igual que el hardware de montaje y montaje.

Debido a su diseño, el núcleo de la olla suele ser un núcleo más caro en comparación con diferentes formatos de un tamaño análogo. Los núcleos de olla para propósitos de energía sustancial no son fácilmente accesibles.

2) NÚCLEOS DE LOSA DOBLE Y RM

Los núcleos de postes centrales sólidos con lados de losa son similares a los núcleos de olla, pero aún poseen un segmento que se minimiza en cualquier parte de la falda. Las entradas sustanciales hacen posible que se alojen cables más grandes y contribuyen a eliminar el calor de la instalación.

Colores RM son similares a los núcleos de olla, sin embargo, están diseñados para reducir el área de la placa de circuito impreso, lo que proporciona una reducción mínima del 40% en el espacio de instalación.

Se pueden obtener bobinas de circuito impreso o lisas. Las abrazaderas sencillas de 1 unidad permiten una construcción sin problemas. Es posible lograr un contorno inferior.

La robusta pieza intermedia ofrece menos pérdida de núcleo, lo que a su vez elimina la acumulación de calor.

3) NÚCLEOS EP

Los núcleos EP son diseños cúbicos de poste central circular que rodean la bobina completamente con la excepción de los terminales de la placa de circuito impreso. La apariencia específica elimina la influencia de las grietas de flujo de aire establecidas en las paredes de acoplamiento en la pista magnética y le brinda una relación de volumen más significativa con respecto al área absoluta utilizada. La protección contra RF es bastante buena.

4) COLORES PQ

Los núcleos PQ están diseñados específicamente para fuentes de alimentación de modo conmutado. El diseño permite una relación maximizada de volumen a región de bobinado y área de superficie.

Por lo tanto, tanto la inductancia óptima como la superficie de bobinado se pueden lograr con la dimensión mínima absoluta del núcleo.

Como resultado, los núcleos brindan una salida de potencia óptima con la masa y dimensión del transformador más mínimo ensamblado, además de ocupar un nivel mínimo de espacio en la placa de circuito impreso.

La instalación con bobinas de circuito impreso y abrazaderas de un bit es fácil. Este modelo económico asegura una sección transversal mucho más homogénea, por lo que los núcleos suelen trabajar con una menor cantidad de posiciones calientes en comparación con diferentes diseños.

5) Y COLORES

Los núcleos E son más baratos que los núcleos de olla, al tiempo que tienen los aspectos de bobinado de bobina sencillo y ensamblaje sencillo. El bobinado en grupo se puede lograr para las bobinas que se utilizan utilizando estos núcleos.

Los núcleos E nunca, de todos modos, presentan autoprotección. Los diseños de laminación tamaño E están diseñados para acomodar bobinas comercialmente accesibles en épocas pasadas destinadas a conformar las tiras estampadas de las medidas de laminación habituales.

Métrica y Tamaños DIN también se puede encontrar. Los núcleos E suelen estar incrustados con una consistencia diversa, proporcionando una variedad de áreas de sección transversal. Las bobinas para estas diversas áreas de sección transversal tienden a ser accesibles comercialmente.

Los núcleos E generalmente se instalan en orientaciones únicas, en caso de que se prefiera, otorgan un perfil bajo.
Se pueden encontrar bobinas de circuito impreso para la fijación de perfil bajo.

Los núcleos E son diseños bien conocidos debido a su tarifa más asequible, la conveniencia de ensamblar y enrollar, y la prevalencia organizada de una variedad de hardware.

6) PLANAR Y COLORES

Los núcleos planos E se pueden encontrar en prácticamente todas las medidas convencionales de IEC, junto con varias de las capacidades adicionales.

El material Magnetics R se adapta perfectamente a las formas planas debido a sus pérdidas reducidas en el núcleo de CA y pérdidas mínimas a 100 ° C.

Los diseños planos en la mayoría de los casos tienen un número de vueltas bajo y una disipación térmica agradable en comparación con los transformadores de ferrita estándar, y por esa razón los diseños ideales para el espacio y la efectividad conducen a mayores densidades de flujo. En esas variaciones, la ventaja de rendimiento general del material R es principalmente bastante notable.

El tramo de la pierna y la elevación de la ventana (proporciones B y D) son flexibles para propósitos individuales sin necesidad de herramientas nuevas. Esto hace posible que el desarrollador afine las especificaciones del núcleo finalizadas para que se ajusten con precisión a la elevación de la pila de conductores planos, sin ningún espacio gastado.

Los clips y las ranuras para clips se ofrecen en numerosos casos, que podrían ser específicamente efectivos para la creación de prototipos. Los I-cores también se proponen como estándar, lo que permite aún más adaptabilidad en el diseño.

Los patrones planos E-I son útiles para permitir una combinación de caras efectiva en una producción de gran volumen, así como para crear núcleos de inductores con espacios, por lo que las reducciones de los flecos deben considerarse a fondo debido a la estructura plana.

7) NÚCLEOS EC, ETD, EER Y ER

Estos tipos de patrones son una mezcla entre núcleos E y núcleos pot. Al igual que los núcleos E, ofrecen una enorme brecha en ambos lados. Esto permite un espacio satisfactorio para los cables de mayor tamaño necesarios para fuentes de alimentación conmutadas de voltaje de salida reducido.

Aparte de eso, garantiza una circulación de aire que mantiene la construcción más fría.

La pieza central es circular, muy similar a la del núcleo de la olla. Uno de los aspectos positivos del pilar central circular es que el devanado tiene un período de recorrido más pequeño a su alrededor (11% más rápido) en comparación con el cable alrededor de un pilar central de tipo cuadrado con una sección transversal muy similar.

Esto reduce las pérdidas de los devanados en un 11% y también hace posible que el núcleo haga frente a una capacidad de salida mejorada. El pilar central circular minimiza adicionalmente el pliegue puntiagudo en el cobre que transpira con el enrollamiento en un pilar central de tipo cuadrado.

8) TOROIDES

Los toroides son rentables de producir, por lo tanto, son los menos costosos de los diseños de núcleo más relevantes. Debido a que no se necesita bobina, los accesorios y las cargas de instalación son insignificantes.

El bobinado se completa en un equipo de bobinado toroidal. El atributo de blindaje es bastante sólido.

Visión general

Las geometrías de ferrita le brindan una gran variedad de tamaños y estilos. Al elegir un núcleo para usos de fuentes de alimentación, se deben evaluar las especificaciones que se muestran en la Tabla 1.

SELECCIÓN DEL TAMAÑO DEL NÚCLEO DEL TRANSFORMADOR

La capacidad de procesamiento de energía en un núcleo de transformador generalmente depende de su producto WaAc, en el que Wa es el espacio de ventana del núcleo ofrecido y Ac es el espacio útil de la sección transversal del núcleo.

Si bien la ecuación anterior permite modificar WaAc según la geometría del núcleo en particular, la técnica de Pressman aprovecha la topología como factor fundamental y permite al fabricante designar la densidad de corriente.

INFORMACIÓN GENERAL

Un transformador perfecto no es más que uno que promete una disminución mínima del núcleo al tiempo que exige el menor volumen de espacio.

La pérdida del núcleo en un núcleo en particular se ve afectada específicamente por la densidad del flujo junto con la frecuencia. La frecuencia es el factor crucial con respecto a un transformador. La ley de Faraday indica que a medida que la frecuencia se acelera, la densidad de flujo se reduce en consecuencia.

Las operaciones con pérdidas principales se reducen mucho más en caso de que la densidad de flujo disminuya en comparación con cuando aumenta la frecuencia. Como ilustración, cuando un transformador se opera a 250 kHz y 2 kG en material R a 100 ° C, las fallas del núcleo probablemente serían de alrededor de 400 mW / cm3.

Si la frecuencia se hiciera dos veces y la mayoría de las demás limitaciones no sufrieran daños, como resultado de la ley de Faraday, la densidad de flujo probablemente resultaría ser de 1 kG y las reducciones del núcleo resultantes serían aproximadamente 300 mW / cm3.

Los transformadores de potencia de ferrita estándar tienen una pérdida de núcleo restringida que varía entre 50 y 200 mW / cm3. Los modelos planos podrían funcionar de manera mucho más asertiva, hasta 600 mW / cm3, debido a una disipación de potencia más ventajosa y una cantidad significativamente menor de cobre en los devanados.

Categorías de CIRCUITO

Una serie de comentarios básicos sobre los diversos circuitos son: El circuito push-pull es efectivo ya que el dispositivo provoca el uso bidireccional de un núcleo de transformador, presentando una salida con ondulación reducida. A pesar de esto, los circuitos son muy sofisticados y la saturación del núcleo del transformador puede resultar en la ruptura del transistor cuando los transistores de potencia tienen propiedades de conmutación desiguales.

Los circuitos de alimentación directa tienen un costo más económico y aplican solo un transistor. La ondulación es mínima debido al hecho de que la corriente de estado aparentemente estable fluye en el transformador sin importar si el transistor está encendido o apagado. El circuito de retorno es sencillo y asequible. Además, los problemas de EMI son considerablemente menores. A pesar de esto, el transformador es más grande y la ondulación es más significativa.

CIRCUITO PUSH-PULL

En la Figura 2A se presenta un circuito convencional de contrafase. El voltaje de alimentación es la salida de una red IC, o reloj, que hace oscilar los transistores alternativamente ENCENDIDO y APAGADO. Las ondas cuadradas de alta frecuencia en la salida del transistor eventualmente se refinan y generan CC.

NÚCLEO EN CIRCUITO PUSH-PULL

Para los transformadores de ferrita, a 20 kHz, suele ser un proceso bien conocido emplear la ecuación (4) con un nivel de densidad de flujo (B) de ± 2 kG máx.

Esto se puede dibujar mediante la sección coloreada del bucle de histéresis en la Figura 2B. Este grado B se selecciona principalmente porque el aspecto restrictivo de seleccionar un núcleo con esta frecuencia es la pérdida del núcleo.

A 20 kHz, si el transformador es ideal para una densidad de flujo alrededor de la saturación (como se lleva a cabo para diseños de frecuencia más pequeños), el núcleo adquirirá un aumento de temperatura incontrolado.

Por esa razón, la menor densidad de flujo de operación de 2 kG en la mayoría de los casos limitará las pérdidas del núcleo, lo que ayudará a un aumento de temperatura asequible en el núcleo.

Por encima de 20 kHz, las pérdidas del núcleo se maximizan. Para ejecutar el SPS a frecuencias elevadas, es importante ejecutar tasas de flujo del núcleo inferiores a ± 2 kg. La Figura 3 muestra la disminución en los niveles de flujo para el material de ferrita MAGNETICS “P” vital para contribuir a pérdidas constantes del núcleo de 100mW / cm3 a numerosas frecuencias, con un aumento de temperatura óptimo de 25 ° C.

En el circuito de alimentación hacia adelante presentado en la Figura 4A, el transformador se ejecuta en el primer cuadrante del bucle de histéresis. (Figura 4B).

Los pulsos unipolares implementados en el dispositivo semiconductor provocan que el núcleo del transformador se alimente desde su valor BR cerca de la saturación. A medida que los pulsos se reducen a cero, el núcleo vuelve a su velocidad BR.

Para poder mantener una eficiencia superior, la inductancia primaria se mantiene alta para ayudar a reducir la corriente de magnetización y disminuir la caída del cable. Esto implica que el núcleo debe tener cero o un mínimo de apertura de flujo de aire.