วิธีควบคุมกระแสอิ่มตัวและความร้อนในตัวเหนี่ยวนำรูปตัว I

วิศวกรควบคุมกระแสอิ่มตัวและความร้อนในตัวเหนี่ยวนำรูปตัว I ผ่านคันโยกสี่ตัว ได้แก่ วัสดุแกน รูปทรงและช่องว่างของแกน การออกแบบขดลวด และสภาวะความร้อนหรือการทำงาน การวัดจะเป็นการยืนยันระยะขอบการออกแบบ

แกนรูปตัว I มีเส้นทางแม่เหล็กเปิด พวกมันอิ่มตัวเร็วกว่าแกน gapped หรือ toroidal ดังนั้นนักออกแบบจึงต้องสร้างส่วนต่างตั้งแต่เริ่มต้น

ลำดับการตัดสินใจเชิงปฏิบัติช่วยให้งานมีสมาธิ ขั้นแรกเลือกวัสดุ จากนั้นเลือกขนาด จากนั้นหมุน จากนั้นจึงเลือกสายไฟ จากนั้นเลือกการไหลของอากาศ และสุดท้าย ตรวจสอบผลลัพธ์ ลำดับนี้เหมาะกับตัวเหนี่ยวนำกำลังในตัวแปลง dc-dc หรือวงจรที่คล้ายกัน แต่ละตัวเลือกมีผลต่อการเหนี่ยวนำและการสูญเสีย ดังนั้นขั้นตอนจึงอยู่ด้วยกัน

พื้นฐานความอิ่มตัวและความร้อน

กระแสอิ่มตัวเทียบกับกระแสพิกัด

ตัวเหนี่ยวนำจะต้องทำงานต่ำกว่าสองขีดจำกัดที่แยกจากกันเสมอ กระแสไฟฟ้าที่กำหนดคือระดับที่ชิ้นส่วนมีคุณสมบัติตรงตามขีดจำกัดความร้อน กระแสอิ่มตัวเป็นจุดที่แกนกลางไม่สามารถกักเก็บพลังงานที่ต้องการได้อีกต่อไป สิ่งเหล่านี้เป็นข้อจำกัดที่เป็นอิสระ ชิ้นส่วนอาจร้อนมากเกินไปในขณะที่ยังต่ำกว่าความอิ่มตัว หรืออาจอิ่มตัวในขณะที่ยังต่ำกว่าระดับความร้อน จำเป็นต้องมีการตรวจสอบทั้งสองรายการ

"เมื่อตัวเหนี่ยวนำเข้าสู่ภาวะอิ่มตัว จะสามารถกักเก็บพลังงานได้น้อยลงและกระแสกระเพื่อมจะเพิ่มขึ้น ซึ่งหมายความว่าประสิทธิภาพจะลดลง"

ไม่มีอัตราร้อยละสากลคงที่ที่พิกัดกระแสอิ่มตัวจะต้องเกินกระแสกระแสสูงสุดที่คาดไว้ ขอบด้านขวาขึ้นอยู่กับพฤติกรรมขีดจำกัดกระแส กระแสเริ่มต้นและกระแสชั่วครู่ ความคลาดเคลื่อนของส่วนประกอบ ผลกระทบของอุณหภูมิ และรูปร่างของคุณลักษณะการซ้อนทับของ dc ผู้ออกแบบควรกำหนดขนาดระยะขอบเทียบกับสภาพปัจจุบันที่น่าเชื่อถือที่สุด

แหล่งที่มาของความร้อนในตัวเหนี่ยวนำรูปตัว I

ความร้อนมาจากสองครอบครัวที่สูญเสีย การสูญเสียหลัก ได้แก่ ฮิสเทรีซิสแบบคงที่ กระแสไหลวนแบบคลาสสิก และผลกระทบไดนามิกที่เหลือ การสูญเสียทองแดงแบ่งออกเป็นระยะ DC จากกระแส dc และระยะ AC จากการกระเพื่อม ผลกระทบของผิวหนัง เอฟเฟกต์ความใกล้ชิด และฟิลด์แนวขอบรอบช่องว่าง การสิ้นสุดและตัวนำใกล้เคียงจะเพิ่มความต้านทานการสัมผัสและกระแสเหนี่ยวนำ

การเพิ่มประสิทธิภาพควรกำหนดเป้าหมายการกระจายรวมและอุณหภูมิฮอตสปอต แทนที่จะบังคับให้สูญเสียแกนกลางและการสูญเสียขดลวด (ทองแดง) ให้เท่ากัน ไม่มีข้อกำหนดสากลสำหรับทั้งสองที่จะจับคู่กัน

ลิงก์นี้มีความสำคัญเนื่องจากความร้อนและความอิ่มตัวของแม่เหล็กไม่ได้แยกปัญหาออกจากกัน นักออกแบบที่เฝ้าดูการเปลี่ยนแปลงของตัวเหนี่ยวนำที่สัมพันธ์กับกระแส dc สามารถทำนายกระแสกระแสตรงที่ซ้อนทับกันของกระแสตรงและกระแสกระแสไฟที่เพิ่มขึ้นของอุณหภูมิร่วมกัน การรักษากระแสสูงสุดให้ต่ำกว่าระดับความอิ่มตัวจะช่วยป้องกันการจัดเก็บพลังงาน การรักษากระแส RMS ไว้ภายในอุณหภูมิกระแสไฟที่เพิ่มขึ้นจะช่วยปกป้องขดลวด คุณลักษณะการวางซ้อน dc เชื่อมโยงพฤติกรรมทั้งสองเข้ากับเส้นโค้งเดียว ดังนั้นการวัดครั้งเดียวจะแจ้งการตัดสินใจทั้งสองอย่าง

วิธีควบคุมกระแสอิ่มตัว

วิศวกรที่เข้าใจฟลักซ์แม่เหล็กสามารถคาดการณ์พฤติกรรมออนโหลดได้ก่อนที่จะมีต้นแบบ ความหนาแน่นของฟลักซ์เพิ่มขึ้นตามโวลต์-วินาทีที่ใช้ และลดลงตามหน้าตัดและการหมุนของแกนกลาง ความสัมพันธ์ดังกล่าวช่วยให้นักออกแบบคาดการณ์ได้ว่าความอิ่มตัวของแม่เหล็กเริ่มต้นที่ใด ลดการสูญเสียแกนกลาง และรักษาความเหนี่ยวนำให้คงที่ตลอดช่วงโหลด ความรู้เดียวกันนี้แสดงวิธีควบคุมกระแสอิ่มตัวโดยไม่ต้องคาดเดา

วัสดุหลักและเรขาคณิตสำหรับตัวเหนี่ยวนำไฟฟ้า

การเลือกใช้วัสดุช่วยกำหนดเพดาน ความหนาแน่นของฟลักซ์อิ่มตัวของแกนจะกำหนดระดับฟลักซ์ที่สามารถกักเก็บได้ก่อนที่ความสามารถในการซึมผ่านจะหมดลง วัสดุเฟอร์ไรต์ เหล็กผง และผงโลหะผสมมีความแตกต่างกันในเพดานและพฤติกรรมการสูญเสีย ดังนั้นการเลือกจึงควรตรงกับกระแสสูงสุดที่วงจรต้องการ

เรขาคณิตเป็นตัวกำหนดประสิทธิภาพของแกนกลางในการใช้เพดานนั้น หน้าตัดที่มีประสิทธิผลขนาดใหญ่กว่าจะกระจายฟลักซ์และรองรับกระแสที่สูงขึ้นโดยไม่มีความอิ่มตัว เส้นทางแม่เหล็กที่ยาวขึ้นจะเพิ่มการหมุนของแอมแปร์ที่จำเป็นเพื่อให้ได้ระดับฟลักซ์เท่าเดิมแกนรูปตัว Iจะรวมฟลักซ์ในปริมาณเล็กน้อย ดังนั้นการตัดสินใจทางเรขาคณิตจึงมีน้ำหนักมากกว่าในการออกแบบแกนปิด

การแลกเปลี่ยนหนึ่งครั้งสมควรได้รับความสนใจ การเพิ่มพิกัดกระแสความอิ่มตัวจะขยายสนามแม่เหล็กรอบๆ ชิ้นส่วน และสนามที่แรงกว่าอาจเพิ่มการรบกวนทางแม่เหล็กไฟฟ้าได้ คำตอบที่ถูกต้องคือความสมดุล: พื้นที่เหนือศีรษะที่เพียงพอสำหรับกระแสไฟสูงสุด รวมถึงรูปแบบและมาตรการป้องกันที่ทำให้การปล่อยก๊าซเรือนกระจกยอมรับได้ ทั้งสองประตูไม่ควรยกเลิกอีกประตูหนึ่ง

การหมุน ช่องว่าง และการเหนี่ยวนำ

การหมุนและช่องว่างเข้าด้วยกันจะควบคุมพารามิเตอร์ตัวเหนี่ยวนำและความอิ่มตัวของกระแสไฟฟ้า จำนวนรอบที่เพิ่มขึ้นจะทำให้ตัวเหนี่ยวนำเพิ่มขึ้นแต่กระแสที่แกนอิ่มตัวจะต่ำลง ช่องว่างในเส้นทางแม่เหล็กจะเพิ่มเกณฑ์ความอิ่มตัวและทำให้ตัวเหนี่ยวนำคงที่ภายใต้กระแส dc โดยมีต้นทุนตัวเหนี่ยวนำต่อเทิร์น

ควรระบุกระแสอิ่มตัวเป็นกระแสสูงสุดก่อนที่แกนอิ่มตัวจะเกิดขึ้น เมื่อต่ำกว่าจุดนั้น ตัวเหนี่ยวนำจะคงที่ภายใต้โหลด เหนือมัน ความเหนี่ยวนำลดลงอย่างรวดเร็วและกระแสเพิ่มขึ้นเร็วกว่าที่ผู้ออกแบบตั้งใจไว้ ข้อมูลจำเพาะที่ชัดเจนจะป้องกันไม่ให้ตัวเหนี่ยวนำลดลงในระหว่างพีคชั่วคราวในตัวแปลง dc-dc

คุณลักษณะการซ้อนทับ dc เชื่อมโยงตัวเลือกเหล่านี้เข้าด้วยกัน เส้นโค้งนี้จะพล็อตค่าความเหนี่ยวนำเทียบกับกระแส dc และข้อเข่าของกราฟจะทำเครื่องหมายจุดอิ่มตัวในทางปฏิบัติ การอ่านข้อเข่าจะทำให้กระแสกระแสตรงซ้อนทับกันโดยตรง นักออกแบบที่ตรวจสอบเส้นโค้งนี้ตั้งแต่เนิ่นๆ สามารถควบคุมกระแสอิ่มตัวในตัวแปลง dc-dc ก่อนที่งานขดลวดและความร้อนจะเริ่มต้นขึ้น และพวกเขาสามารถยืนยันส่วนต่างอีกครั้งในตัวแปลง dc-dc รุ่นที่สองโดยไม่ต้องทำการวิเคราะห์ซ้ำทั้งหมด

การควบคุมความร้อนในตัวเหนี่ยวนำรูปตัว I

การควบคุมความร้อนเริ่มต้นด้วยการพันขดลวดและสิ้นสุดด้วยสภาพแวดล้อมรอบๆ ชิ้นส่วน ทั้งสองซีกสมควรได้รับความสนใจเท่ากัน เนื่องจากการพันขดลวดที่ทำมาอย่างดียังคงร้อนภายในตู้ที่มีผู้คนหนาแน่นโดยไม่มีการไหลเวียนของอากาศ

การออกแบบตัวนำและขดลวด

เกจลวดเป็นคันแรกในการสูญเสียทองแดง ลวดที่หนากว่าจะลดความต้านทาน DC ลง และลดความร้อนของตัวต้านทานที่ควบคุมกระแส DC สูง อัตราขยายมีขีดจำกัด เนื่องจากลวดที่หนากว่าจะใช้พื้นที่หน้าต่างมากขึ้นและสามารถดันขดลวดเข้าไปในบรรจุภัณฑ์ที่ใหญ่ขึ้นได้

รูปแบบการม้วนจะตัดสินว่าความร้อนจะเข้มข้นไปที่ใด การม้วนแบบชั้นเดียวที่แผ่กระจายทำให้พื้นผิวสัมผัสกับอากาศได้มากขึ้น และหลีกเลี่ยงการหมุนที่ซ้อนกันซึ่งกักเก็บความร้อนไว้ตรงกลางของขดลวด ขดลวดหลายชั้นช่วยประหยัดพื้นที่แต่เพิ่มความร้อนเฉพาะที่ ดังนั้นนักออกแบบควรชั่งน้ำหนักความกะทัดรัดเพื่อป้องกันการกระจายความร้อน

ระลอกปัจจุบันเพิ่มระยะการสูญเสียครั้งที่สอง กระแสริปเปิลไหลผ่านความต้านทานที่ขึ้นกับความถี่ ดังนั้นขดลวดจะให้ความร้อนมากกว่ากระแสตรงบริสุทธิ์ที่มีค่าเฉลี่ยเท่ากัน ชิ้นส่วนที่คงความเย็นภายใต้การทดสอบ dc ยังคงร้อนในวงจรสวิตชิ่ง

โหมดการทำงานก็มีความสำคัญเช่นกัน ในโหมดการนำไฟฟ้าไม่ต่อเนื่อง กระแสไฟเหนี่ยวนำจะลดลงเหลือศูนย์ทุกรอบการสวิตชิ่ง สิ่งนี้ทำให้เกิดการสูญเสียที่เกี่ยวข้องกับกระแส RMS และสร้างการเปลี่ยนแปลงปัจจุบันอย่างกะทันหันซึ่งทำให้ EMI รุนแรงขึ้น การหน่วงเวลาหรือป้องกันการเข้าสู่ DCM จะช่วยระงับผลกระทบจากการหยุดชะงักในปัจจุบันที่ป้อน EMI ในขั้น PFC ที่มีความเหนี่ยวนำคงที่ คอนเวอร์เตอร์มีแนวโน้มที่จะทำงานไม่ต่อเนื่องใกล้กับส่วนกระแสต่ำของรูปคลื่นหลักที่ถูกแก้ไข ตัวเหนี่ยวนำ PFC แบบสเต็ปคาปจ่ายการเหนี่ยวนำที่สูงขึ้นที่กระแสต่ำ และทำให้หน้าต่างนั้นแคบลง ซึ่งลดการบิดเบือนและ EMI

เส้นทางความร้อนและสภาพการทำงาน

ชิ้นส่วนที่ได้รับการจัดอันดับตามอุณหภูมิที่เพิ่มขึ้นในอากาศนิ่งจะมีพฤติกรรมแตกต่างออกไปบนกระดานจริง พื้นที่ทองแดงของ PCB, แหล่งความร้อนใกล้เคียง, การไหลเวียนของอากาศ, ความถี่ในการเปลี่ยน, แอมพลิจูดของคลื่น, วัสดุแกนกลาง, รูปแบบการติดตั้ง และอุณหภูมิโดยรอบ ทั้งหมดนี้จะเปลี่ยนอุณหภูมิที่เพิ่มขึ้นตามจริง ผู้ออกแบบควรปฏิบัติต่ออุณหภูมิที่เพิ่มขึ้นของแผ่นข้อมูลในปัจจุบันเป็นจุดเริ่มต้นและยืนยันในตู้

ทางเดินความร้อนเริ่มจากขดลวดผ่านแกนกลาง สายวัด และแผ่น PCB แผ่นที่กว้างและระนาบทองแดงขนาดใหญ่กระจายความร้อนและช่วยให้ตัวเหนี่ยวนำจัดการกับระดับกระแสที่สูงขึ้นโดยไม่เกิดความร้อนสูงเกินไป การไหลเวียนของอากาศไม่ดีจะทำให้ขอบนั้นหายไปอย่างรวดเร็ว

การจัดหาเป็นอีกตัวแปรหนึ่ง Gujing นำเสนอตระกูลตัวเหนี่ยวนำรูปตัว I เช่น DLCH, DLCR, DLCP112, DLGB3X และDLGBXพร้อมการปรับแต่งสำหรับการเหนี่ยวนำ ขนาด และพิกัดกระแสไฟฟ้าที่เฉพาะเจาะจง ชิ้นส่วนเหล่านี้ปรากฏในอุปกรณ์จ่ายไฟแบบสวิตชิ่ง การออกแบบตัวแปลง dc-dc เครื่องใช้ไฟฟ้า อุปกรณ์สื่อสาร การควบคุมทางอุตสาหกรรม ไดรเวอร์ LED เครื่องใช้ไฟฟ้า มอเตอร์ และอุปกรณ์สมาร์ทโฮม ผู้ซื้อควรเปรียบเทียบกลุ่มผลิตภัณฑ์ใดๆ กับข้อมูลการทดสอบการระบายความร้อนของตนเอง

การวัดความอิ่มตัวและอุณหภูมิ

การทดสอบความอิ่มตัวและระยะขอบ

การทดสอบวงจรพัลส์เผยให้เห็นว่าความอิ่มตัวของแม่เหล็กเริ่มต้นที่ใด การตั้งค่าแบบตั้งโต๊ะใช้พัลส์กระแสสั้นกับตัวเหนี่ยวนำและจับรูปคลื่นผลลัพธ์บนออสซิลโลสโคป ผู้ปฏิบัติงานตั้งค่าแหล่งจ่ายเป็น 0 V เชื่อมต่อขั้วบวกเข้ากับด้านท่อระบายน้ำของตัวเหนี่ยวนำ และผูกขั้วลบเข้ากับด้านล่างของกระแสสับเปลี่ยน แหล่งสัญญาณ PWM ทำงานที่ 20 kHz โดยมีรอบการทำงาน 5% และขับเคลื่อนเกต MOSFET ผ่านตัวต้านทานเกต 47 Ω ขอบเขตจะเริ่มทำงานบนขอบที่เพิ่มขึ้นของเกต โดยมีหนึ่งช่องบนเกตและอีกช่องหนึ่งข้ามทางแยก ขีดจำกัดกระแสไฟจ่ายควรอยู่ที่ 1.5 เท่าของกระแสอิ่มตัวที่คาดไว้

จากนั้นผู้ปฏิบัติงานจะเพิ่มแรงดันไฟฟ้าของแหล่งจ่ายอย่างช้าๆ จาก 0 V ไปยังเป้าหมาย ซึ่งโดยทั่วไปคือ 5–15 V ขณะเฝ้าดูทางลาดกระแสเชิงเส้น ขั้นตอนของรอบการทำงานเล็ก ๆ ตามมา 1–2% เอกลักษณ์ของความอิ่มตัวอย่างแท้จริงคือการยกเข่าขึ้น: ทางลาดจะโค้งขึ้นด้านบนด้วยความลาดชันที่มากขึ้น เสียงเรียกเข้าดูแตกต่างออกไป โดยปรากฏเป็นระลอกคลื่นไซน์บนทางลาด ความลาดชันที่ราบเรียบมักหมายถึงการจำกัดกระแสไฟหรือการแบ่งความร้อนในตัวเอง ไม่ใช่ความอิ่มตัว ลดความต้านทานการสับเปลี่ยน โดยใช้การสับเปลี่ยนเคลวินแบบสี่สาย และทำให้สายกราวด์ระงับเสียงเรียกเข้าสั้น ๆ

ในระหว่างเหตุการณ์อิ่มตัว ตัวเก็บประจุสามารถดูดซับแรงดันไฟกระชากได้ตั้งแต่แรก ตัวต้านทานจะควบคุมกระแสการชาร์จและการคายประจุ และกระจายพลังงานที่เก็บไว้เป็นความร้อน เครือข่ายนี้จะป้องกันวงจรทดสอบในขณะที่ผู้ปฏิบัติงานบันทึกข้อเข่า

การตรวจสอบเอกสารข้อมูลและการทดสอบโหลด

การตรวจสอบเอกสารข้อมูลต้องตรวจสอบตัวเลขสองตัวแยกกัน ตารางด้านล่างแสดงสาเหตุที่การให้คะแนนพาดหัวอาจทำให้เข้าใจผิดได้

กระแสไฟฟ้าที่ได้รับการจัดอันดับเกินค่าสูงสุดที่คำนวณได้ ดังนั้นชิ้นส่วนจึงดูยอมรับได้เมื่อมองแวบแรก กระแสความอิ่มตัวอยู่ต่ำกว่าจุดสูงสุด ดังนั้นชิ้นส่วนจึงไม่ผ่านหน้าจอความอิ่มตัว ผู้ออกแบบควรเปรียบเทียบเกณฑ์การเหนี่ยวนำ-หยดที่ใช้สำหรับกระแสไฟฟ้าอิ่มตัวกับสภาวะอุณหภูมิที่เพิ่มขึ้นที่ใช้สำหรับกระแสไฟฟ้าที่กำหนด และยืนยันว่าเส้นโค้งทั้งสองใช้เงื่อนไขที่เทียบเคียงได้

การทดสอบโหลดและอุณหภูมิจะปิดลูป วิศวกรดำเนินการทดสอบบน PCB เป้าหมายภายใต้สภาวะการทำความเย็นจริง และบันทึกอุณหภูมิส่วนประกอบในสภาวะคงที่ ขั้นตอนนี้เป็นการยืนยันระยะขอบด้านความร้อนและคุณลักษณะการวางซ้อน dc ในตู้จริง ไม่ใช่แค่บนกระดาษ

คันโยกสี่คันควบคุมกระแสอิ่มตัวและความร้อนในตัวเหนี่ยวนำรูปตัว Iได้แก่ วัสดุแกน รูปทรงและช่องว่าง การออกแบบขดลวด และสภาวะความร้อนหรือการทำงาน การวัดจะยืนยันระยะขอบในทุกขั้นตอน

รายการดำเนินการที่ได้รับการจัดลำดับความสำคัญช่วยให้งานเป็นระเบียบ:

1. เลือกวัสดุและขนาดสำหรับกระแสไฟสูงสุด โดยกำหนดขนาดส่วนต่างเทียบกับสภาพกระแสไฟที่น่าเชื่อถือที่สุด

2. ตั้งค่าการหมุนและช่องว่างเพื่อแก้ไขความเหนี่ยวนำภายใต้โหลด

3. เลือกสายไฟเพื่อลดการสูญเสียและความร้อนที่จัดการได้

4. ตรวจสอบด้วยการทดสอบโหลดและอุณหภูมิ

นักออกแบบควรถือว่าความอิ่มตัวและความร้อนเป็นตัวแปรที่เชื่อมโยงกัน การเปลี่ยนแปลงที่ช่วยให้ฝ่ายหนึ่งเปลี่ยนอีกฝ่าย ดังนั้นตัวเหนี่ยวนำกำลังจึงสมควรได้รับการตรวจสอบร่วมกัน ระเบียบวินัยเดียวกันนี้ใช้กับโครงร่างตัวแปลง dc-dc ใดๆ