Vítejte, dnes je
pátek
17.
květen
2024
Odborný časopis a portál zaměřený na vývoj a výrobu elektroniky 
Úvod
V současnosti se induktivní součástky stávají klíčovou a současně nejproblémovější součástkou snad všech výkonových obvodů a zásadně ovlivňují jejich účinnost, kvalitu regulace, EMI vyzařování, rozměry a hmotnost. Základním kamenem každé induktivní součástky je jádro a jeho materiál. V době „zelených“ kampaní je jejich správný výběr a výpočet magnetického obvodu předpokladem úspěchu.
Jedním z významných výrobců je firma Magnetics Inc. Při vývoji výkonových spínaných obvodů v Rystonu preferujeme právě prášková jádra od této firmy a rovněž je distribuujeme na náš trh. Důvodem jsou jejich výtečné vlastnosti a příznivé ceny, hlavně u materiálu Kool Mµ. Magnetics pracuje na vývoji dalších slitin (AmoFlux, Xflux, Nano) a jejich aplikací.
Prášková jádra jsou na špičce vývoje jak metalurgie, tak tvoření vhodných magnetických obvodů. Jsou vyráběna lisováním za studena z práškových slitin s obsahem železa, molybdenu, niklu, hliníku a křemíku, jsou tedy RoHS (ferity se vyrábějí spékáním a železoprachová jádra se lisují s organickým pojivem).
Kritické porovnání práškových jader s tradičními materiály
Prášková jádra se vyrábějí v toroidních tvarech o průměru 6 až 150 mm, nově i jako E, C, UI, planární jádra, tenké toroidy „Thinz“ a přesné „cihly“ a sady „oválů“ pro sestavování velkých tvarů, podobně jako ferity. Díky výrobní technologii mají rozloženou vzduchovou mezeru ve spárách mezi nanozrny slitiny s vysokou permeabilitou (alá permalloy), což je výhodné z důvodu velmi slabého rozptylového pole vně jádra.
Zajímavá je hodnota maximální indukce, která dosahuje podle materiálu až 2,5 tesla (u feritů je to 0,3 tesla), a tak umožňuje akumulovat vysokou energii v malém objemu jádra. Tím prášková jádra daleko převyšují běžná feritová jádra se vzduchovou mezerou i železoprachová jádra.
Prášková jádra našla využití jako výkonové induktory ve spínaných zdrojích a kompenzátorech účiníku (PFC) nebo jako transformátory v měničích typu flyback.
Firma Magnetics vyrábí v současnosti prášková jádra z různých materiálů; nejlepší, ale nejdražší jsou MPP (molybden-permalloy), HIF (High-flux), levný je KoolMµ, nové AmoFlux, Xflux, MAX a letošní novinky Edge a Nanocrystalline (viz dále). Nejlevnější, velmi kvalitní a v širokém sortimentu jsou však stále jádra z materiálu Kool Mµ, kterým se budeme věnovat v následujícím textu.
Značení: Typové řady MPP, HIF, Kool Mµ a Xflux se odlišují předčíslím (55, 58, 77, 78, 79), materiálovými charakteristikami a hlavně cenou, avšak typy se stejným kmenovým trojčíslím mají shodné rozměry a permeabilitu a další základní vlastnosti. Suffixy pak určují povrchovou úpravu, toleranci a souběh parametrů v dávce (binning).
Jádra Kool Mµ mají příznivou cenu, srovnatelnou se současnými cenami feritových jader, a navíc podstatně nižší ztráty v materiálu než ferity se vzduchovou mezerou nebo železoprachová jádra a nejširší sortiment tvarů. Další výhodou je poměrně vysoká tepelná vodivost, což umožňuje dobré chlazení jádra.
Stejnosměrná magnetizace
Jádra jsou dostupná v materiálových variantách s různými relativními permeabilitami (Kool Mµ 14 až 125, MPP až 500). To určuje, spolu s tvarem jádra, charakteristický součinitel AL pro indukčnost z počtu závitů podle vztahu
L = AL * n2, kde n je počet závitů.
Nejdůležitějším údajem magnetického materiálu ve výkonové aplikaci je však schopnost chovat se jako induktor, tedy mít permeabilitu i při superponované stejnosměrné magnetizaci čili za proudu.
Tuto vlastnost popisuje dobře součin (LI2)max., tedy maximální povolený součin indukčnosti a kvadrátu celkového proudu induktorem. V tomto porovnání vycházejí prášková jádra o několik řádů lépe, jak uvidíme dále. Toto číslo vlastně charakterizuje energii v magnetickém obvodu induktoru a významem odpovídá součinu (BH)max – maximální hustotě energie v jádře. Zpravidla pokud nechceme mít cívku přesytku, musíme volit B při maximálním proudu daleko před nasycením ss magnetizací.
Obr. 1 ss nasycení u feritů a práškových materiálů (originál v angličtině)
Obr. 1 porovnává situaci při nasycení – tedy závislost indukce na stejnosměrné magnetizaci − u feritů a práškových jader. Intenzita magnetického pole H je závislá na proudu. Rozložená vzduchová mezera v jádru Kool Mµ způsobuje hladkou funkci závislosti B-H, bez náhlého nasycení a skokového poklesu, jak je tomu u feritů. V řadě aplikací je pozvolna se měnící (klesající) indukčnost v závislosti na ss magnetizaci spíše žádoucí, neboť zlepšuje účinnost a umožňuje širší rozsah pracovních podmínek. I při požadavku na konstantní proud je měkká závislost indukčnosti na ss magnetizaci výhodná, protože dovoluje krátkodobá přetížení, např. při přechodových dějích při zapnutí nebo náhodném zkratu.
Srovnání práškových jader s ferity s probroušenou mezerou
Jádra Kool Mµ nabízejí vzhledem k desetinásobnému Bmax podstatně lepší stejnosměrnou magnetizační charakteristiku než feritová jádra. Při obvykle voleném 50% poklesu indukčnosti v pracovním bodě vychází práškové jádro menší až o 35 %, a navíc je zde záruka robustnějšího chování díky pozvolnější saturaci materiálu, na rozdíl od ostré saturace feritů. Rozdíl je ještě výraznější při vyšších teplotách (nad 80 °C); zatímco ferity ztrácejí rychle magnetické vlastnosti díky Curieově teplotě kolem 100 °C, Kool Mµ zůstává prakticky beze změny až k 350 °C.
Obr. 2 Pokles Bsat s teplotou u feritů (pozn.: převzato z originálu, 1000 Oe = 7,95x104 A m-1, 10 000 Gaussů = 1 tesla).
Jak je zmíněno dále, velká vzduchová mezera způsobí vychýlení toku i mimo prostor mezery, kde protíná i vinutí, v němž vznikají vířivé proudy.
Feritová E-jádra s probroušeným středním sloupkem mají proti Kool Mµ i některé přednosti. Především je možno probrušováním dosáhnout užší tolerance indukčnosti: probrušovaná jádra mají typickou toleranci indukčnosti ±3 %, zatímco lisovaná jádra Kool Mµ mají zpravidla ±8 %.
Dále jsou feritová jádra dostupná v daleko širším sortimentu tvarů, velikostí, od řady výrobců. Ferity jsou vhodnější pro aplikace s malou ss magnetizací vzhledem k vyšší efektivní permeabilitě při malých mezerách.
Vlastnosti práškových jader při extrémních teplotách
Jelikož materiál Kool Mµ má Curieovu teplotu kolem 500 °C, je použitelný v celém rozsahu teplot od -65 °C až do +200 °C, což je s rezervou vojenský/kosmický rozsah pracovních teplot. V celém tomto rozsahu jsou magnetické vlastnosti stabilní s mírným maximem okolo +40 °C. Na rozdíl od železoprachových jader jsou jádra Kool Mµ vyráběna bez použití organického pojiva. Proto jádra Kool Mµ netrpí degradací a stárnutím či křehnutím typickým pro železoprachová jádra.
Kool Mµ nemá vyšší ztráty a zhoršování vf vlastností při rostoucích teplotách, což je nepříznivá vlastnost feritů. Stejně tak, Kool Mµ netrpí výrazným poklesem maximální indukce při vysokých teplotách, která nedovoluje feritům pracovat za všech podmínek s velkými stejnosměrnými proudy.
Obr. 3 Porovnání induktorů stejné hmotnosti z různých práškových materiálů. Porovnejte ztráty.
Rozptylový tok
Jestliže část magnetického toku prochází prostorem mimo magnetikum, dojde k rozptylu pole. Všechny magnetické součástky mají nějaký rozptyl, přičemž platí, že magnetika s menší relativní permeabilitou (větším magnetickým odporem) mají větší rozptyl.
Feritová jádra s vysokou permeabilitou se často probrušují, aby se díky vzduchové mezeře zabránilo nasycení jádra a snížila se efektivní permeabilita na žádanou hodnotu. Zpravidla se používá jedna poměrně velká mezera ve středním sloupku.
Na rozdíl od toho Kool Mµ má „rozloženou“ mezeru tvořenou póry mezi slisovanými zrny magnetika. Rozptylový tok v každém místě rozložené mezery má krátkou cestu zpět do magnetika, a proto se tak nešíří do okolí jádra. Výsledkem jsou nižší ztráty vířivými proudy ve vinutí.
Rozptyl je také ovlivněn rozměry a tvarem jádra. Empiricky ověřeno, obecně u E jádra platí, že jádro s větší délkou závitu bude mít větší rozptyl než jádro s kratší délkou závitu. Rovněž platí, že jádro s objemnějším vinutím bude mít větší rozptyl než menší vinutí.
Kool Mµ versus železoprachová jádra (Iron Powder) – střídavé vlastnosti
Materiál Kool Mµ (kompozice Al, Si, Fe) má velmi podobné stejnosměrné magnetizační charakteristiky
jako železoprachová jádra (kompozice čistého železa). Výhoda materiálu Kool Mµ spočívá v podstatně nižších vf ztrátách v jádře a tím ve vyšších použitelných kmitočtech.
Výkonový induktor (s proudem) spínaného regulátoru „vidí“ stejnosměrný proud a na něm superponovanou střídavou složku. Typická frekvence je v rozsahu 10 kHz až 3 MHz. Tato střídavá složka proudu generuje střídavé magnetické pole, které vytváří v jádře ztráty vířivými proudy (vodivostí) a hysterezí (smyčky B-H), a jádro se proto zahřívá. Jak ukazuje obr. 4, i práškový materiál (HiFlux) má ztráty závislé na kmitočtu. Proto je volba materiálu kompromisem mezi požadavky na ss střídavé vlastnosti (a také cenu).
Kool Mµ má oproti železoprachu mnohem nižší ztráty díky nanozrnům a velmi malé hysterezi. Dále má Kool Mµ téměř nulovou magnetostrikci, což eliminuje slyšitelné akustické rušení typické pro železoprachová jádra (ale rovněž ferity a lamináty Si-Fe) při provozu v oblasti 20 Hz až 20 kHz.
Obr. 4 Graf ztrát v magnetiku při různých kmitočtech pro materiál HiFlux, kde je závislost nejmarkantnější
Vnější rozptylové pole a tvar jádra
Tvar jádra ovlivňuje vnější rozptylové pole. Jádro tvaru E, kde většina vinutí je skryta v jádře, má větší vnější rozptylové pole než například toroidní tvar, kde naopak vinutí ukrývá jádro. Proto u EE sestav i z materiálu Kool Mµ by mělo být vnější rozptylové pole uvažováno.
Jedním důsledkem je, že E-jádra Kool Mµ se nesmějí stahovat kovovými svorníky (běžné u feritů), protože rozptylový tok by se soustřeďoval v těchto částech a zvětšoval ztráty.
Montážní prvky
Pro každou velikost Kool Mµ E-jádra (2 kusy na sadu) je od výrobce k dispozici svislá kostřička pro pájenou montáž do plošného spoje či bezvývodová. Detaily jsou v katalogu Magnetics Kool Mµ E-Cores, který je možno stáhnout z webu www.mag-inc.com. Jelikož jádra jsou vyráběna ve standardních velikostech, je možno použít i standardní kostry různých výrobců.
Jádro E, složené ze dvou polovin, může být také sestaveno slepením styčných ploch vhodným lepidlem a ovinutím sestavy fixační páskou. Sestavená cívka nebo transformátor se k plošnému spoji může i přilepit, díky nízkému rozptylu pole nehrozí vzájemné ovlivnění např. nalitou mědí na DPS.
Volba jádra
Na odkazu [1] najdete úplný postup pro výběr optimální permeability a nejmenšího použitelného jádra pro aplikace se stejnosměrnou složkou.
V tomto článku uvádíme rychlý návod pro zběžnou orientaci a volbu jádra ve formě nomogramu. Ten vychází z pravidla, že při daném max. ss proudu smí permeabilita poklesnout o maximálně 50 %, z odhadu činitele plnění vinutí 50 až 80 % průřezu jádra/kostry a z předpokladu, že střídavá složka je relativně malá vůči stejnosměrné složce. Dále je uvažován požadavek minimální tolerance indukčnosti při zvolené velikosti a permeabilitě jádra. Jestliže střídavá složka je relativně velká, jako je tomu například u flyback induktorů, doporučuje se zvolit o jednu hodnotu větší velikost jádra, než jaká vyjde z grafu. Tím se sníží střídavá složka indukce v jádře a doprovodné nepříznivé efekty, zejména ztráty.
Kuchařka pro výběr jádra do vaší aplikace a výpočet cívky
Musíte znát pouze dva výchozí parametry: požadovanou indukčnost při stejnosměrné složce a maximální hodnotu proudu včetně ss složky a zvlnění. Dále použijte uvedený návod pro určení velikosti jádra a počtu závitů.
Nanokrystalická jádra
Nanokrystalická jádra jsou letošní novinka z vývoje a jsou výbornou volbou pro konstrukci proudově kompenzovaných tlumivek (CMC), jelikož se vyznačují vysokou permeabilitou, nízkými výkonovými ztrátami a vysokou hodnotou saturace. V porovnání s feritovými jádry nanokrystalická jádra vynikají širokým rozsahem provozních teplot a vyšší impedancí při vysokých kmitočtech.
Základní charakteristika
Díky vysoké permeabilitě materiálu nanokrystalických jader lze očekávat menší rozměry a hmotnost CMC tlumivek, proudových transformátorů (CT) a magnetických zesilovačů (MagAmps) při stejných nebo vyšších proudech než u feritů. Saturace je při 1,25 T a díky širšímu teplotnímu rozsahu jsou CMC tlumivky s těmito jádry méně náchylné na proudovou nesymetrii a ohřev než s ferity. Nižší střídavé ztráty zlepšují celkovou účinnost a umožňují zvýšenou izolaci moderními plastovými materiály jako polyester (<130 °C) a rynite (DuPont) polyester (<155 °C), což umožňuje použití tlustších a kratších vodičů při vinutí.
Aplikace:
Pro asistenci s volbou jádra pro vaši aplikaci můžete kontaktovat přímo firmu Magnetics [2].
Detaily vlastností materiálů a relace Impedance vs. Frequency, Permeability vs. Temperature, a B-H jsou ke stažení na odkazu [3] Nanocrystalline Material Property Curves.
Rovněž můžete navštívit webové stránky Rystonu pro know-how [4] v češtině.
Závěr
Návrh induktoru není žádná magie, ale věda a zkušenost a samozřejmě trochu umění. Uvedený návod je prakticky použitelný. Pokud vám nestačí katalogový induktor od standardního dodavatele, zkuste si cívku navrhnout sami, ale nezapomeňte si ji prakticky ověřit. Vzorky práškových jader i skladové položky najdete i na webu www.ryston.cz.
Odkazy:
[1] https://www.mag-inc.com/Design/Design-Guides/Inductor-Design-with-Magnetics-Powder-Cores
[2] https://www.mag-inc.com/Company/Contact-Magnetics
[4] https://www.ryston.cz/o-nas/know-how
[5] Electronic Design Magazine, www.electronic-design.com
[6] Bodo´s Power Systems Magazine, www.bodospower.com
[7] Materiály firmy Magnetics, www.mag-inc.com
