자기 플럭스 설명: 변압기의 단위, 공식 및 페라이트 코어 설계 한계

페라이트 변압기가 첫 번째 열 테스트를 통과하는지 여부를 결정하는 세 가지 숫자는 코어 내부의 피크 자속 밀도, 인클로저의 주변 온도, 해당 온도에서 재료의 포화 한계입니다.

종종 설계 노트에서 자속(mag flux)으로 단축되는 자속은 회로의 전기적 측면을 자기 측면에 연결하는 것입니다. 이는 웨버로 측정된 특정 표면을 통과하는 총 자기장이며, 패러데이의 법칙에 따라 전압을 생성하기 위해 차별화되는 양입니다. 대부분의 과열, 윙윙거리는 소리 및 효율성 부족은 25°C에서 추정되었으며 100°C에서 다시 계산되지 않은 플럭스 값으로 거슬러 올라갑니다.

실용적인 결론이 먼저 나옵니다. 자속은 자속 밀도와 동일하지 않고 포화도는 고온 한계이며 코어 손실은 자속 밀도와 주파수에 따라 달라집니다. 이 기사의 나머지 부분에서는 이러한 진술 뒤에 숨겨진 숫자를 통해 작업합니다.

자기유속(Mag Flux)이 측정하는 것

자기 플럭스(기호 Φ)는 해당 표면에 수직인 자기장 성분의 표면 적분입니다. 균일한 필드가 있는 평평한 단면에서 적분은 곱셈으로 줄어듭니다.

Φ = B × A × cos θ

여기서 B는 테슬라 단위의 자속 밀도, A는 평방 미터 단위의 면적, θ는 필드와 표면 법선 사이의 각도입니다. 1웨버는 1테슬라 평방미터와 같습니다. 구형 CGS 장치인 maxwell은 10과 같습니다. ^-8 Wb.

디자인 작업에는 세 가지 속성이 중요합니다. 플럭스는 부호가 있으므로 플러스 및 마이너스 0.2T의 대칭 스윙으로 구동되는 코어는 총 0.4T의 플럭스 스윙을 경험합니다. 자기장 선에는 볼륨 내부에 시작점이나 끝점이 없기 때문에 닫힌 표면을 통과하는 순 플럭스는 0입니다. 개방된 표면을 통과하는 자속은 선택한 영역에 따라 달라지므로 데이터시트에는 항상 기준 단면적(보통 코어의 유효 면적 Ae)이 명시되어 있습니다.

자속, 자속 밀도, 전계 강도 및 자속 결합

거의 모든 핵심 계산에는 5개의 수량이 나타나며, 이를 혼합하는 것이 가장 일반적인 오류 원인입니다.

가장 중요한 차이점은 B와 H입니다. H는 권선에 의해 생성됩니다. 이는 암페어 회전수를 자기 경로 길이로 나눈 값과 같으며 코어 재료와 무관합니다. B는 투과성에 따라 조정된 재료의 반응입니다. 플럭스는 단면에 걸쳐 B로 수집되며 플럭스 쇄교는 플럭스에 권선 수를 곱하므로 인가된 전압의 시간 적분과 같습니다.

100kHz에서 작동된 플럭스 예산

구체적인 숫자는 관계를 더 명확하게 만듭니다. 유효 면적 Ae가 100mm인 MnZn 전력 페라이트 코어를 사용합니다. ² , 100°C 근처의 작동 온도에서 목표 피크 자속 밀도 0.2T로 100kHz로 구동됩니다.

• 회전당 플럭스: Φ = 0.2 T × 100 × 10 ^-6 m ² = 20μWb.
• 자속 스윙: 대칭 드라이브는 ΔB = 0.4T를 제공하므로 스윙은 40μWb입니다.
• 턴당 전압: 패러데이의 법칙에 따르면 V = ΔΦ/Δt입니다. 100kHz에서 반주기는 5μs이므로 각 턴은 40μWb ¼ 5μs = 8V를 지원합니다.
• 권선 의미: 20턴 1차측은 대략 160V의 적용된 구형파를 처리합니다. 스위칭 주파수를 두 배로 늘리면 동일한 전압에 필요한 권선이 절반으로 줄어듭니다.

마지막 요점은 고주파수 설계에서 작은 코어를 사용하는 이유를 설명합니다. 턴당 전압은 주파수, 자속 밀도 및 면적에 비례하므로 주파수를 높이면 더 작은 면적이 동일한 자속 밀도에서 동일한 전압을 전달할 수 있습니다.

포화는 고온 한계입니다

페라이트 포화 자속 밀도는 코어가 가열됨에 따라 감소합니다. 일반적인 MnZn 전력 페라이트는 25°C에서 약 0.40T에 도달하고 100°C에서 약 0.30T에 도달합니다. 실온 수치로 설계하는 것은 벤치에서는 통과하고 인클로저 내부에서는 실패하는 프로토타입을 제작하는 신뢰할 수 있는 방법입니다.

• 전력 변환에서 피크 자속 밀도를 약 0.2T 이하로 유지하십시오. 포화는 즉각적인 제약이 되는 경우가 거의 없습니다. 코어 손실은 일반적으로 부품을 먼저 가열합니다.
• 예상되는 가장 높은 코어 온도에서 Bsat를 평가한 다음 입력 과도 및 전류 제한 이벤트에 대해 20%~30% 여유를 남겨 둡니다.

DC 바이어스 인덕터는 바이어스 자속이 흔들리지 않기 때문에 다른 계산이 필요합니다. DC 성분의 자속은 B = L × I ¼ (N × Ae)입니다. 100mm에 걸쳐 20회전에서 5A를 전달하는 100μH 인덕터 ² 리플이 추가되기 전에는 0.25T에 위치합니다. 코어를 갭핑하면 유효 투자율이 낮아지고 포화 전류가 높아지지만, 권선 창에 비해 갭이 넓어지면 프린징 플럭스와 국부적인 가열이 생성됩니다.

퀴리 온도는 별도의 천장입니다. 그 이상에서는 투자율이 붕괴되어 코어가 코어로서의 기능을 멈춥니다. MnZn 재료의 경우 이 수치는 일반적으로 등급에 따라 120°C에서 200°C 사이에 속합니다. 이는 재료 등급이 코어 형상과 함께 열 예산에 속하는 이유입니다.

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코어 손실: 자속 밀도와 주파수를 함께

손실은 대부분의 설계자가 예상하는 것보다 빠르게 확장됩니다. Steinmetz 형식 Pv = k × f ^α × B ^β MnZn 전력 페라이트의 경우 주파수 지수 α는 일반적으로 1.2에서 1.8 사이이고 자속 지수 β는 2.0에서 2.7 사이입니다. 히스테리시스는 낮은 주파수에서 지배적입니다. 와전류 손실, 대략 B에 비례 ² f ² 저항률로 나눈 값은 주파수가 상승함에 따라 이어집니다.

입자 경계 화학은 이것이 재료 사양이 되는 곳입니다. MnZn 고전도성 페라이트의 더 높은 저항은 포화 성능을 포기하지 않고 고주파수에서 와전류를 억제합니다. 이는 동일한 크기와 유사한 투자율의 두 코어가 300kHz에서 손실이 2배만큼 다를 수 있는 이유입니다. 이 설명은 MnZn 페라이트가 코어 손실을 줄이는 방법 재료 측면을 더 자세히 살펴봅니다.

손실 곡선도 온도에 따라 이동합니다. 대부분의 전력 등급은 80°C에서 100°C 사이에서 최소 손실을 가지므로 냉각수 코어는 자동으로 효율적인 코어가 아닙니다. 25°C가 아니라 코어가 실제로 도달할 온도에서 곡선을 읽으십시오.

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변압기, 인덕터 및 EMI 부품의 자속

구성 요소 유형에 따라 해결하려는 플럭스 문제의 버전이 결정됩니다.

• 변압기: 대칭 구동은 플럭스가 거의 0에 가까운 평균으로 스윙함을 의미합니다. 문제는 피크 자속 밀도와 손실이지만, 제어 비대칭으로 인한 작은 DC 불균형으로 인해 시간이 지남에 따라 여전히 포화되지 않은 코어가 포화 상태로 이동할 수 있습니다.
• 전력 인덕터: DC 바이어스가 지배적입니다. 플럭스는 부하 전류에 따라 증가하고, 인덕턴스는 포화 근처에서 롤오프되며, 갭 기하학적 구조는 롤오프가 얼마나 우아하게 발생하는지 결정합니다.
• 공통 모드 초크: 차동 부하 전류는 코어 내부에서 상쇄되는 동일 및 반대 플럭스를 생성하는 반면 공통 모드 잡음 플럭스는 추가됩니다. 이것이 바로 소형 초크가 수 암페어의 부하 전류를 전달할 수 있는 이유입니다.
• EMI 억제 비드: 자속은 거의 전적으로 잡음 전류에서 나오므로 작동 자속 밀도는 낮게 유지되고 주파수 대비 임피던스가 중요한 사양이 됩니다.

무선 전력 전송은 자기 경로에 의도적으로 유지된 간격과 동일한 물리학을 적용하므로 결합 및 차폐 구조는 코어 영역만 설정하는 것이 아니라 자속 분포를 설정합니다.

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코어에 커밋하기 전에 확인해야 할 사항

1. 최악의 조건(최대 입력 전압, 최대 듀티 사이클, 인클로저에 예상되는 상승을 더한 최고 주변 환경)을 사용하십시오.
2. Bsat를 뜨거운 값으로 줄인 다음 과도 현상에 대해 20%~30% 마진을 유지합니다.
3. 실제 주파수와 온도에서 제조업체의 곡선을 사용하여 자속 수치를 손실로 변환하고 열 경로가 해당 손실을 제거할 수 있는지 확인합니다.
4. 허용 오차 고려: Ae는 일반적으로 몇 퍼센트 이내이지만 AL은 간격에 따라 10% ~ 25%까지 퍼질 수 있으며 AL의 25% 스윙은 포화 전류를 거의 같은 양만큼 이동시킵니다.
5. 샘플에서 확인: 바이어스 전류 하에서 인덕턴스를 측정하고, 최대 부하에서 실행하고, 평균이 아닌 핫스팟 온도를 기록합니다.
6. 등급이 플럭스 스윙에 적합한지 확인하십시오. 전력 변환을 위한 저손실 넓은 온도 등급은 고투자율 신호 변압기에 적합하지 않으며 그 반대도 마찬가지입니다.

자재 등급을 플럭스 요구 사항에 맞추기

망간-아연 페라이트는 단일 물질이 아닌 계열입니다. 제조업체의 등급 목록에는 일반적으로 낮은 전력 손실, 넓은 온도 안정성, 높은 중첩(DC 바이어스에 대한 저항, 높은 투자율 및 고주파 성능을 의미)이 포함되며 이러한 특성은 서로 상충됩니다.

Tongxiang Yaorun Electronics는 이러한 범주를 중심으로 YR 시리즈를 구성하고 포화 데이터, 손실 곡선 및 완성된 구성 요소가 일치해야 하는 경우 중요한 분말 코어부터 권선 변압기까지 재료를 생산합니다. 해당 범위 내에서 선택하는 것은 애플리케이션에 필요한 최대 자속 밀도, 온도, 스위칭 주파수 등 세 가지 질문으로 귀결됩니다. 이에 답하면 최종 후보 목록은 일반적으로 2~3학년 정도입니다.

플럭스 예산이 아직 열려 있는 경우 공급업체에 데이터시트의 25°C 열이 아닌 실제 작동 온도에서의 포화 및 손실 데이터를 확인하도록 요청하십시오. 그 대화는 대개 다음과 같이 시작됩니다. 엔지니어링 팀에 연락 .

자기 플럭스는 작은 숫자 집합입니다. 영역을 가로지르는 필드를 해당 영역으로 나누어 밀도로 변환한 다음 온도에 따라 떨어지는 포화 한계와 비교합니다. 실패한 디자인은 일반적으로 마지막 단계를 건너뜁니다. 최대 입력 및 최대 온도에서 플럭스 스윙을 계산하고, 전력 변환을 위해 피크 밀도를 0.2T 근처로 유지하고, 손실 곡선을 뜨겁게 읽으면 코어는 제품 수명 동안 인덕턴스와 온도를 모두 유지합니다.