Некоторые особенности обмоток дросселей и трансформаторов для преобразователей

В этом материале речь идет о различных типах обмоток выпускаемых промышленностью моточных изделий.


Увеличение рабочей частоты и мощности преобразователей приводит к тому, что число витков трансформатора снижается, и они не могут заполнить собой весь слой по ширине намотки. В этом случае вместо обмоточного провода лучше использовать фольгу, причем ее ширина выбирается таким образом, чтобы заполнить по ширине весь слой. Это необходимо для того, чтобы уменьшить индуктивность рассеяния обмотки. Число слоев фольги совпадает с числом витков и остается лишь выбрать толщину фольги. В низкочастотных преобразователях толщину фольги можно выбирать таким образом, чтобы заполнить все окно. При этом уменьшается омическое сопротивление обмотки и, следовательно, потери в ней. Однако в высокочастотных преобразователях это правило перестает действовать из-за поверхностного эффекта. При оценке влияния поверхностного эффекта необходимо учитывать форму тока, которая в некоторых топологиях преобразователей может значительно отличаться от синусоидальной, например в мостовом преобразователе (см. рис. 1). Величина индуктивности и емкости фильтра на этом рисунке выбраны для входных и выходных значений, показанных тока и напряжения, показанных там же.

 
 
На рисунке 2 показано окно трансформатора на сердечнике ЕС70, первичная и вторичная обмотки состоят из четырех слоев фольги каждая. На рисунке показано, что обмотка заполняет все окно, но едва ли в реальном высокочастотном трансформаторе число слоев и толщина фольги столь велики, чтобы заполнить все окно.
Перед тем как выбрать толщину фольги, необходимо определить токи в обмотках и гармонический состав тока. Лучше всего это сделать с помощью симулятора и заодно предварительно убедиться, что в установившемся процессе при замкнутой петле обратной связи в преобразователе отсутствуют явно выраженные колебания. Симуляцию можно произвести, например, с помощью POWER 4-5-6 [2-3]. На графиках представлены результаты симуляции.

 
На рисунке 3 показан ток первичной обмотки трансформатора мостовой схемы (см. рис. 1) и его гармонический состав при максимальном входном напряжении и максимальной нагрузке. Постоянная составляющая тока, разумеется, отсутствует, частота основной гармоники составляет 50 кГц. Кроме того, в спектре присутствуют две нечетные гармоники частотой 150 и 250 кГц. На рисунке 4 показан ток одной из вторичных полуобмоток. Ток индуктивности фильтра приведен на рисунке 5. Наибольшее значение имеет постоянная составляющая и пульсация тока с удвоенной рабочей частотой.


 


Выбор толщины фольги зависит от величины постоянной составляющей тока и значения гармоник переменных составляющих, а также от величины допустимых потерь в обмотках.

Математические методы анализа сложны и не имеют аналитического решения. Можно использовать для анализа кривые Доуэлла [4], но и этот метод довольно утомителен и громоздок.



Результаты расчета представлены на рисунке 6. На нем показаны графики зависимости величины потерь от толщины фольги для первичной и вторичной обмоток трансформатора и для обмотки дросселя фильтра. Заметим, что графики для обмоток трансформатора имеют экстремумы типа минимум, а для обмотки дросселя - не имеют.

Для первичной обмотки трансформатора минимальные потери наблюдаются при толщине фольги 0,35 от глубины проникновения, что составляет около 0,2 мм. Поскольку токи вторичной обмотки содержатзначительную постоянную составляющую, для вторичной обмотки номинальная толщина фольги больше и равна примерно половине глубины проникновения на рабочей частоте 50 кГц.



На рисунке 7 показано окно трансформатора с обмоткой из фольги с указанной выше толщиной. Как видно, заполнение окна меньше 20%. При малом заполнении окна возрастает индуктивность рассеяния. Для ее уменьшения можно усложнить намотку чередованием первичного и вторичного слоев. Однако в этом случае, во-первых, увеличится стоимость, во-вторых, возрастет проходная емкость. Можно также использовать метод намотки «сэндвич» [5].

Поскольку обмотка дросселя отличается от трансформаторной, т.к. в обмотке дросселя протекает в основном постоянный ток, можно увеличивать толщину фольги обмотки и свести к минимуму в ней потери. В данном случае толщина фольги была выбрана равной 0,7 мм, что составляет 3,4 толщины проникновения при частоте 100 кГц. В этом случае окно дросселя с сердечником RM12 заполняется полностью.

Конструкция дросселей довольно многообразна. Выбор типа дросселя зависит от приложения. Помимо очевидных параметров - индуктивность, максимальный ток, ток насыщения, необходимо учитывать еще и гармонический состав токов, т.к. потери в дросселе на переменном токе существенно превышают потери при постоянном токе.
 
Если дроссель необходим для цепи постоянного тока, где величина пульсации тока невелика, можно использовать дроссель с сердечником барабанного типа (drum core). Свое название он получил из-за внешнего сходства с соответствующим ударным инструментом. Низкопрофильный сердечник такого дросселя состоит из двух плоских дисков сверху и снизу и узкого стержня между ними. Особенность конструкции обеспечивает больший ток без насыщения сердечника, чем в тороидальном дросселе.



Однако, как видно из рисунка 8, на котором показан сердечник с обмоткой, применение такого дросселя в цепи переменного или постоянного тока с большими пульсациями нежелательно, т. к. велики потери по переменному току из-за эффекта близости в многослойной обмотке.

Такие дроссели производят в настоящее время многие компании. Среди них - Ferroxcube, малоизвестная компания в России, которая производит миниатюрные сердечники барабанного типа высотой 0,8-3 мм и диаметром 3,5-8 мм из феррита нового типа ЗС92 [6]. Максимальная частота, на которую рассчитан этот материал, достигает 400 кГц, индукция насыщения при 25°С составляет 0,47 Тл, а плотность мощности при 100°С, частоте 100 кГц и индукции 0,2 Тл достигает 350 кВт/м³.

Но основная «изюминка» этого феррита заключается в хороших температурных свойствах. При температуре 175°С индуктивность дросселя с таким сердечником уменьшится всего лишь вдвое, тогда как у традиционных ферритов MnZn она упадет до 10% от начальной. Преимущества ферритов ЗС92 над традиционными начинают проявляться при температуре около 120°С.



В настоящее время в преобразователях часто используется дроссель с плоской спиральной обмоткой из фольги (см. крайний правый дроссель на рис. 9). Подробно дроссель с такой обмоткой рассмотрен в [7]. Там же проведен сравнительный расчет параметров дросселей со спиральной обмоткой из фольги и дросселя с традиционной обмоткой из фольги.

Из этого расчета следует, что при частоте 400 кГц соотношение между сопротивлением обмотки на переменном и постоянном токах для дросселя со спиральной обмоткой составляет R_AC = 20,2R_DC, а для дросселя с обычной обмоткой из фольги R_AC=]0]R_DC. При этом в первом случае величина сопротивления составила примерно 11,6 мОм, а во втором - превысила 62 мОм. Преимущество дросселя со спиральной обмоткой объясняется большим расстоянием между слоями. В приведенном выше примере оно было 4 мм, что примерно в 38 раз больше глубины проникновения при частоте 400 кГц. При этом эффект близости практически не проявляется, следовательно, и сопротивление обмотки на переменном токе уменьшается.

Преимущество дросселя со спиральной обмоткой подтверждается и в [8]. В этой работе исследовались дроссели для корректора коэффициента мощности. Испытывались дроссели со спиральной обмоткой, с традиционной обмоткой из фольги и с обмоткой из провода. Минимальное сопротивление R_DC = 2,92 мОм оказалось у дросселя со спиральной обмоткой, у двух других дросселей величина сопротивления составила 3,92 мОм. Во всех случаях обмотки состояли из 16 витков.

Интересный эксперимент провели в компании West Coast Magnetics [9]. Инженеры этой компании провели сравнительные испытания дросселей четырех типов (см. рис. 9), предназначенных для преобразователей мощностью 1-100 кВт. Слева направо на этом рисунки расположены следующие устройства.

-   Дроссель на Ш-образном сердечнике с зазором из цинкового феррита с обмоткой из шести слоев медной фольги, изготовленной по фирменной технологии компании. Начальная магнитная проницаемость феррита составляет 2000. Площадь поперечного сечения обмотки дросселя составляет 31600 круговых мил (круговой мил равен площади круга диаметром 1 мил, или 5,07-10^-4 мм²).
-   Тороидальный дроссель из железо-никелевого сплава с малой магнитной проницаемостью и обмоткой из 13 витков провода 10 AWG.
-   Тороидальный дроссель из желе-зоникелевого сплава с большим содержанием железа и бифилярной намоткой 10 витков провода 7 AWG.
-   Покупные дроссели с плоской спиральной обмоткой. В эксперименте использовались два дросселя этого типа: с 22 витками и сечением обмотки 22600 круговых мил и с 12 витками с сечением обмотки 38200 круговых мил. Испытания проводились при токе
65 А, минимальная индуктивность дросселей при этом токе была не менее 10 мкГн. Схема испытания была довольно проста - резонансная LC-цепочка: параллельно дросселю подключались два последовательно соединенных конденсатора емкостью 0,1 Ф с малым эквивалентным последовательным сопротивлением (ESR). Результаты эксперимента показаны на рисунке 10 с графиками зависимости потерь в дросселе в зависимости от амплитуды пульсаций тока при частотах 100 и 250 кГц. На этом рисунке приняты следующие обозначения для графиков.

1 - дроссель на Ш-образном сердечнике;
2 - дроссель на тороидальном сердечнике с высоким содержанием железа;
3 - дроссель со спиральной обмоткой из 12 витков;
4 - дроссель на тороидальном сердечнике из железоникелевого сплава;
5 - дроссель со спиральной обмоткой из 22 витков.

Как видно из результатов эксперимента, наименьшие потери наблюдались в дросселе, изготовленном по фирменной технологии компании West Coast Magnetics. Неплохие результаты при небольшой амплитуде пульсаций и у дросселя со спиральной намоткой из 12 витков, однако при увеличении амплитуды пульсаций он начинает уступать дросселям на тороидальных сердечниках. Большие потери в дросселе со спиральной обмоткой из 22 витков объяснимы - при увеличении их числа уменьшилось расстояние между слоями и увеличилось влияние эффекта близости.

Заметим, что в двух из трех приведенных в статье примерах дроссель со спиральной намоткой выиграл у дросселя с традиционной намоткой из фольги. Однако в этих примерах сравнение проводилось по сопротивлению обмоток на переменном и постоянном токах, а в третьем примере речь шла о натурном эксперименте, в котором дроссели испытывались в рабочей схеме, т.е. помимо потерь в обмотке учитывались и потери в сердечнике. К тому же, в испытаниях принимали участие дроссели с разным числом витков, причем наименьшее их число было у дросселя West Coast Magnetics, что, скорее всего, во многом и предопределило его результаты.

На основании испытания дросселей от различных производителей еще нельзя делать вывод о преимуществе того или иного типа обмотки. Например, очень многообещающе выглядят последние разработки дросселей со спиральной обмоткой компании Coilcraft, которые не принимали участие в испытаниях.
И все же определенные выводы из этой статьи можно сделать.

-   Низкопрофильные дроссели с сердечником барабанного типа лучше применять в цепях постоянного тока с незначительной амплитудой пульсации.
-   Дроссели с плоской спиральной обмоткой подходят для использования в цепях, где пульсации тока не превышают 5-10%.
-   В цепях с большой амплитудой пульсации, например в резонансных преобразователях, желательно использовать дроссели с большой высотой сердечника, т.к. при этом уменьшается число слоев обмотки. Выигрыш в испытаниях компании West Coast Magnetics дросселя собственной конструкции во многом обусловлен самым малым числом слоев обмотки - шестью.
-   Если используется сердечник с немагнитным зазором, то во избежание краевых эффектов, желательно удалить этот зазор подальше от проводников обмотки.

ЛИТЕРАТУРА

1. Dr. Ray Ridley Optimizing foil windings for power magnetics www.powersystemsdesign.com
2. Proximity Loss Calculator in POWER 4-5-6 www.ridleyengineering.com/software.html
3. ON Power Designer  www.onsemi.ru.com/PowerSolutions/
4.  Proximity Loss in Magnetics Windings  www.ridleyengineering.com
5. Алексей Чистяков. Пассивные компоненты и материалы для источников питания//Электронные компоненты. № 12.2015.
6. Mini drum cores for power inductors www.ferroxcube.com.
7. Low-profile inductors with helical foil windings www.powersystemsdesign.com
8. Improved PFC Boost Choke using a Quasi-Planar Winding Configuration www.us.schott.com.
9. A Fresh Look at Design of Buck and Boost inductors for SMPS Converters wcmagnetics.com.