Power Electronics

Здравствуйте, господа! В данный момент занимаюсь разработкой преобразователя по топологии фазового моста (PSFB) на всякий случай приложу картинку с топологией чтоб было понятно, о чем речь.
https://ibb.co/JnTZz17
Столкнулся с проблемой перегрева «shim» - резонансной индуктивности и что-то никак не могу понять в чем тут дело.
Входные параметры: входное напряжение Vin=360VDC; входной ток Irms=8A; резонансная индуктивность Lr=50uH; рабочая частота F=100kHz;
Выход на данном этапе не стабилизирован, фазовый сдвиг постоянен и нагрузка (а соответственно и ток первички) регулируется реостатом по выходу.
При своем расчете руководствовался следующими соображениями:
Задался потерями в феррите на уровне 100mW/cm^3, выбрал материал N87 и сердечник с каркасом ETD44 (Ae=173*10^-6m^2 Ve=17.8cm^3). Далее т.к. V=n*Ae*dB/dt и V=L*dI/dt, то n*Ae*dB/dt=L*dI/dt, принимая допущение о том, что L-const, проинтегрируем левую и правую часть и получим n*Ae*dB=L*dI => n=(L*dI)/(Ae*dB), dI известно и примерно равно 2*Irms=16A, Ae и L даны по условию, dB можно найти из графика потерь для феррита, в частности для N87 уровню 100 mW/cm^3 соответствует амплитуда индукции примерно 0.1T.
https://ibb.co/f8nptkV
Тогда полная амплитуда должна составить 0.2T. Зная все это считаем минимальное кол-во витков - n и получаем n=(50*10^-6*16)/(0.2*173*10^-6)=23 витка. А необходимая L = 50uH достигается путем введения зазора. (Корректировал зазор по измерениям). Намотку провода произвожу в 13 проводов по 0.45mm дабы избежать скин-эффекта и набрать сечение. Таким образом, общее сечение составит около 1.47mm^2 что дает 5.44 А/mm^2 при средней длине витка 77.7mm общая длинна провода составит 1.787m, если 1 провод имеет удельное сопротивление 0.152 Ом/м, то 13 проводов 0.0117 Ом/м и все сопротивление составит 0.021 Ом, что при токе 8А даст потери в обмотке на уровне 1.34 W. Совсем немного. Потери в сердечнике при 100 mW/cm^3 составят 100*17.8=1.78W итого 3.12 W, что в принципе для такого объема не очень существенно. Далее можно оценить, что температура всего изделия не должна подниматься выше 46 градусов при 25 внешних.
Однако проблемы начинаются уже при токе в 1.5-2A RMS. Спустя минуту работы температура обмотки дросселя выходит за 50 градусов. При этом по ощущениям феррит нагревается слабее. Собственно очевидно, что в моих рассуждениях где-то серьезная ошибка, если кто может подсказать, как это лучше посчитать и в чем ошибка буду премного благодарен!
Вот мое изделие:
https://ibb.co/Sx5RMHB

Диаметр великоват даже для одиночного провода, через который протекает чистая синусоида частотой 100кГц. В данном же случае через провод протекают более высокочастотные гармоники. Кроме этого провод не одиночный, а находится в обмотке. Следовательно надо учитывать краевые эффекты и эффект близости. Кроме этого, сердечник имеет существенные зазоры из которых "выпячивается" магнитное поле и как в индукционке греет близлежащие фрагменты обмотки.
Реальные ВЧ эффекты трудно определить аналитически по примитивным радиолюбительским формулам и рекомендациям. Для этого служит специальное программное обеспечение, моделирующее реальную 3Д (порой доститочно 2Д) картину магнитного поля. Из наиболее доступных можно использовать бесплатную программу FEMM, позволяющую моделировать 2Д картину магнитного поля (либо осесимметричную 3Д картину). В разделе Статьи есть несколько пошаговых инструкций, позволяющих производить наиболее типичные виды моделирования в этой программе.
Можно пойти другим путем и попросту уменьшить диаметр жили самодельного литца до 0.1 мм (0.1х263). Эффект не заставит себя долго ждать. Ну и про вентилятор не стоит забывать.

_________________
"Древние украли все наши лучшие идеи!"
- Марк Твен.

Спасибо за оперативный ответ. Но поможет ли существенное уменьшение диаметра провода побороть краевой эффект и эффект близости? Судя по моим экспериментам, вклад скин эффекта наименее существенен и, судя по всему, наибольшее влияние оказывает вытеснения поля в зазоре. Суть эксперемента была в следующем - я заменил дроссель на феррите дроселем на распыленке с той же индуктивностью намотанным в один (!) провод диаметром чуть-ли не >0.8 при этом при токе на входе аж 3 ампера перегрев дросселя на распыленке оказался существенно меньше (не более 35 градусов).
Вот сам дроссель:
https://ibb.co/4sbNqhS

Все эти проблемы хорошо лечатся уменьшением диаметра проводочков литца, а также улучшением однородности обмотки (удалением краев, например). Вытеснение поля в зазоре лечится распределением зазора. Поэтому, если есть такая возможность, то использование кольцевого сердечника с распределенным немагнитным зазором предпочтительно. В этом случае минимизируются потери вызванные краевыми эффектами и вытеснением поля в зазоре. Кроме всего прочего, обмотка на кольцевом сердечнике лучше охлаждается.

Вполне ожидаемо. Однако стоит иметь в виду, что, при возрастании тока до номинальных 8А, потери в обмотке возрастут пропорционально квадрату нарастания тока, т.е. более чем в семь раз.

_________________
"Древние украли все наши лучшие идеи!"
- Марк Твен.

Согласен, только с точки зрения потерь в материале это решение получается существенно хуже за счет большое переменной составляющей индукции. Например, для материала -2 от micrometals, на котором сейчас как раз и намотан этот дроссель, потери по сравнению с N87 аж в 7 раз больше. https://ibb.co/R2p2vJJ
Также я обратил внимание на то, что в основном для этой резонансной индуктивости используется феррит и поэтому сам начал с него. Плюс ко всему с ферритом проще достичь требуемой индуктивности за счет подбора зазора.
На счет литца понятно, надо пробовать. Вот думаю, имеет ли смысл попробовать существенно уменьшить зазор и соответственно витки, дабы уменьшить вытесняемое в зазоре поле?

Правильно подбирайте материал и конструктивно устанавливайте требуемый уровень индукции.

Феррит доступный и недорогой материал, обладающий хорошими характеристиками.
Проблема больших зазоров решается:
1. Дроблением зазора на более мелкие.
2. Дистанцированием обмотки от зазора.
3. Использованием более мелкого литца.
Пункты 2 и 3 не связаны с большими технологическими проблемами. Особенно, если используется готовый обмоточный материал.

_________________
"Древние украли все наши лучшие идеи!"
- Марк Твен.

Для всех материалов с распределенным зазором, с которыми мне приходилось иметь дело, уровень потерь достаточно велик по сравнению с ферритом. Не подскажите, может есть какой хороший материал с распределенным зазором для работы с большой переменной составляющей?
Кстати, может стоить попробовать мотать лентой?

И с какими материалами приходилось иметь дело?

_________________
"Древние украли все наши лучшие идеи!"
- Марк Твен.

Распыленное железо от micrometals и пермаллой МП140/100

В этом плане пермаллой соизмерим с ферритом. Однако феррит дешевле и доступнее.

_________________
"Древние украли все наши лучшие идеи!"
- Марк Твен.

Сегодня попробовал намотать дроссель в 50 проводов по 0.2мм но существенных улучшений по сравнению с намоткой в 10 проводов по 0.45мм замечено не было. Оба дросселя изготовил на каркасе RM10. Оба при токе в 2,5А прогреваются до 60 градусов причем обмотка нагревается активнее. Потом на ETD44 пробовал отодвинуть обмотку от зазора использовав секционную намотку, однако существенных результатов также не дало: температура ферита 37 градусов, обмотки под 60 градусов (обмотка в 26 проводов по 0.45мм при токе всего в 2.5А!). Если пробовать уменьшить витки и зазор то ситуация меняется и теперь прогревается уже феррит (dB уже очень большой). Получается, что феррит из-за зазора провоцирует огромные потери в обмотке. Посмотрел пермаллой от компании магнетикс, у них потери 450 мВт/см^3 ~ 4.5 раза больше чем в ферите. Хотя если потерь из-за зазора больше не будет, да и влияния эффекта близости уменьшится может и нормально в итоге поучится. А какой бы вы материал выбрали для решения этой задачи?

Добрый день.
Сталкивался с такой трудностью (дроссель для LLC 10а 100кгц) Проделал, примерно Ваш путь. Часть его, в виде изучения трансформаторов, выкладывал здесь. Катушка на бублике, без сердечника, оптимально, но не для Ваших значений индуктивности.
Мотать, однозначно надо заводским проводом, литцендрат, запас по меди необходим большой(3-4а на 1мм2). Там есть такая граница, когда сердечник и обмотка греются примерно одинаково, на мой взгляд , это оптимально. Самодельный литц немного хуже, даже если проводники диаметром 0.07мм, с более толстыми проводниками в жиле, сильно хуже. Видимо вопрос в свивке проводников.

Обмотка в один слой, иначе сильно греется, скорее всего, из за эффекта близости. Оптимально планарный сердечник Е+I с зазором, или колотое на 4 части кольцо. Ш образный сердечник не удобен(не намотать в один слой), возможно применить П образный. Возможно сделать на кольце из алсифера\пермолоя с малой проницаемостью(30), но сильнее греется.

В итоге, Пришел к выводу, правильнее так не делать. А использовать индукцию рассеяния трансформатора. Реактивные токи холостого\малого хода возможно увеличить за счет дросселей в выпрямителе, или по рекомендации ув Гиратора, добавить LC цепи в первичную сторону. Тем самым, компенсировать малую индуктивность рассеяния трансформатора.
С уважением ккл.

Как и чем охлаждается обмотка?

Феррит

_________________
"Древние украли все наши лучшие идеи!"
- Марк Твен.

На П образном можно мотать не на керне, а на перемычках между кернами. (типа "рогатого" дросселя, https://forum.cxem.net/uploads/monthly_ ... 955325.jpg только с замкнутым магнитопроводом, просто более подходящей картинки не нашёл)
Поле рассеяния вблизи зазора будет далеко от обмотки и не будет её греть (может быть) У линкольна видел трансы, намотанные таким образом.

Естественным образом. Расчетные потери в сердечнике при токе в 2.5А составят примерно 130мВт, потери в обмотке по постоянному току 63 мВт. Итого, без учета паразитных явлений, там и 1 Вт не будет. А на практике, судя по скорости набора температуры до 60 градусов менее чем за минуту, там с десяток ватт. Очевидно, что здесь нужен перерасчет с учетом этих самых потерь по переменному току. Пытаться охлаждать — это не та задача, с которой я сейчас хочу справиться. Первым делом мне важно понять, что именно вызывает такие существенные потери и как это можно исправить. Иначе говоря, я хочу добиться наилучшей эффективности и понять принцип выбора правильного материала для этой задачи. Может, стоит что-то изменить в конструкции. Вот, собственно, поэтому и спрашиваю.
Пока склоняюсь к тому, что зазор в феррите является ключевым фактором в возникновении дополнительных потерь потому, что даже существенное уменьшение диаметра проводника с 0.45 до 0.2 (и это по лаку) видимых результатов не принесло (т.е. это не скин эффект в основном). Вот эти два дросселя прогреваются приблизительно одинаково: https://ibb.co/Dz3x4PN Предлагаете дальше пробовать уменьшать провод? Эффект близости? Уменьшение слоев приведет к увеличению габаритов сердечника вплоть до ETD59, как-то не очень перспектива.


Добрый день! Большое спасибо за рекомендации! Пробовал побороться с эффектом близости и уменьшить количество слоев и меди взяв заведомо гигантский сердечник ETD44 с большим Ae. Намотал минимум витков (для заданной индукции) всего в 2-3 слоя. Провода, конечно, крупные, по 0.45, но зато сечение с запасом 1.3А/мм2 при токе 2.5А! Вот результат: https://ibb.co/Sx5RMHB. Однако улучшений также не дало - феррит холодный обмотка горячая.
Я также пробовал на ETD44 намотать лентой, правда хватило всего на 7 витков. При этом потери в феррите стали преобладать и теперь феррит стал нагреваться. Зато обмотка холодная. Теоретически, можно упихнуть в каркас и 10 витков лентой, но тогда это получится просто огромная конструкция. Что-то мне подсказывает, что это неверный путь.
Например, у TI есть EVM, тоже PSFB правда на 600W. Вот на этой картинке обведен их резонансный дроссель: https://ibb.co/HBjQkC7
Там они входной ток разгоняют до 1.5А а дроссель (60P964) у них представляет собой кубик с размерами примерно 20х22х16.5 эквивалентно ~RM8 или около того. Так вот, я к тому, что там наверняка обмотка не в один слой делается (витки попросту не уместить) да и габариты несущественные.