Induktivitäten, Ringkern oder EE-Kern?

Ein guter Grund, sich von Toroiden fernzuhalten, ist, dass Sie keine Lücken in sie einfügen können, da sie ein fester Klumpen sind. Mit EE-Ferriten können Sie jedoch leicht den mittleren Schenkel abschleifen (oder dünne Abstandshalter einsetzen) und ziemlich genaue Lücken herstellen, aber warum sollten Sie dies tun, höre ich die Leute sagen.

Es dreht sich alles um die Maximierung des Leistungsdurchsatzes für eine gegebene Kerngröße und Betriebsfrequenz. Manchmal (ziemlich oft) ist es notwendig, einen kleinen Spalt zu machen, um die Permeabilität beispielsweise um 10 zu 1 zu reduzieren. Eine Reduzierung um zehn bedeutet, dass Sie mehr Windungen benötigen, um die gleiche Induktivität zu erhalten, aber Sie brauchen nur die$\sqrt{10}$mehr Wicklungen. Dies bedeutet, dass Sie ein größeres H-Feld an die Primärseite liefern können und eine geringere Kernsättigung haben.

Dies liegt daran, dass das H-Feld Amperewindungen pro Meter ist, wobei der Teil "pro Meter" die mittlere magnetische Länge des Kerns ist: -

Bei gleicher Induktivität (und damit Spulenstrom) haben sich die Windungen also erhöht$\sqrt{10}$und das macht das H-Feld$\sqrt{10}$mal größer, aber da die Durchlässigkeit um 10:1 gesunken ist, hat sich das B-Feld um verringert$\sqrt{10}$obwohl sich das H-Feld um erhöht hat$\sqrt{10}$. Das liegt an der BH-Kurve: -

Einfach ausgedrückt, durch Verringern der Permeabilität verringert sich das Verhältnis B:H. Aus diesem Grund sollten Sie vielleicht mit Lücken experimentieren. Die Formel für die zu erwartende Durchlässigkeit beim Gapping lautet: -

$\mu_e = \dfrac{1}{\dfrac{1}{\mu_r}+\dfrac{l_g}{l_e}}$

Wo$l_g$Und$l_e$sind die Lücke bzw. die mittlere Länge. Diese Formel gilt für ziemlich kleine Lücken, die nicht viel Fransen verursachen.$\mu_e$Und$\mu_r$sind die lückenhaften und lückenlosen Permeabilitäten. Wenn Sie also einen Kern mit einer relativen Permeabilität ohne Lücke von 900 haben und eine Lücke von 1 % der mittleren Länge einfügen, würde die Permeabilität mit Lücke 90 werden.

Sie müssen auch die Fähigkeit des Kernmaterials berücksichtigen, mit der Betriebsfrequenz umzugehen. Nehmen Sie zum Beispiel 3F3-Material (mit dem ich kürzlich gearbeitet habe): -

Die durchgezogene Linie ist die tatsächliche Permeabilität und die gepunktete Linie sind effektiv die Verluste. Für dieses Material würde ich eine Leistungsanwendung mit nicht mehr als 1 MHz betreiben wollen - bei dieser Frequenz wird es zu einer erheblichen Erwärmung des Kerns kommen, aber es sollte in Ordnung sein. Damit ein Induktor jedoch stabil bleibt, würde ich ihn nicht mit einer Frequenz von mehr als etwa 300 kHz betreiben, um eine zu starke Erwärmung des Kerns zu vermeiden. Das Erwärmen des Kerns ändert die Permeabilität und den Induktivitätswert: -

Bei 25 °C beträgt die relative Permeabilität 2000 und steigt die Temperatur durch Kernverluste auf 50 °C, dann steigt die relative Permeabilität auf 2500. Damit steigt auch die Induktivität um 25 %. Wenn jedoch Lücken verwendet werden und zusätzliche Windungen verwendet werden, um diese Lücken zu kompensieren, glätten sich die Temperatureffekte beträchtlich.

Betrachten Sie 3F3-Material ohne Lücken mit einer relativen Permeabilität von 2000, die auf 2500 ansteigt. Betrachten Sie nun die beiden relativen Permeabilitäten, wenn sie bei (sagen wir) 0,1 % der mittleren Länge mit Lücken versehen sind. Wenn Sie nachrechnen, erhalten Sie 667 und 714, dh eine Steigerung von 7,1 % (im Gegensatz zu einer Änderung der ungespaltenen Permeabilität von 25 %). Eine Lücke von 0,5 % würde „vorher“ und „nachher“ Permeabilitäten von 181,8 und 185,2 ergeben, dh eine Änderung von 1,9 % und viel vernünftiger für eine Induktivität in (sagen wir) einem Filter oder einem Oszillator.

Denken Sie daran, dass der Temperaturanstieg nicht von der Eigenerwärmung herrühren muss, um die Permeabilität zu beeinflussen – Änderungen der Umgebungstemperatur müssen ebenfalls berücksichtigt werden, aber Gapping ist ein sehr starkes Werkzeug, um Induktivitätsänderungen unter strenger Kontrolle zu halten.

Ich habe sowohl an EE- als auch an Ringkerndesigns für PFC-Induktoren gearbeitet. Beide haben Vor- und Nachteile.

Mit einem EE-Kern können Sie den Spalt für eine präzise Induktivität steuern. Sie erhalten eine flache Induktivitäts-gegen-Vorspannungs-Kurve, bis Sie den Sättigungspunkt erreichen, zu welchem ​​​​Zeitpunkt die Induktivität dramatisch abfällt. Die Auswahl an Kernmaterial in EE ist (meiner Erfahrung nach) größer als bei Ringkernen, sodass Sie häufig Materialien mit geringeren Verlusten auswählen können.

Viele der Ringkerne für PFC haben eine „Distributed Gap“-Konstruktion – ein Beispiel ist Kool-Mu von Magnetics Inc., aber es gibt noch viele andere. Dieses Material hat tendenziell eine geringere Permeabilität, hat aber einen sehr allmählichen Abfall der Induktivität unter Vorspannung - einige behaupten, dass es "unmöglich" ist, eine Kool-Mu-PFC-Drossel zu sättigen - nicht ganz richtig, aber sie können unter sehr hohen Vorspannungsströmen laufen und überleben . Dies wird im Stromversorgungsjargon als „schwingende Drossel“ bezeichnet. Eine höhere Induktivität bei geringeren Lasten kann von Vorteil sein, wenn Sie versuchen, im DCM zu bleiben.

Für das Prototyping mag ich Toroide. Sie können sie einfach umwickeln und installieren. Ein Induktor mit EE-Kern benötigt eine Spule, benötigt möglicherweise Lückenmaterial, Klebstoff oder Epoxid, um die Lücke zu halten usw. usw. und so weiter. Abgesehen davon gibt es keinen elektrischen Grund, nicht das zu verwenden, was Sie zur Hand haben - es funktioniert einwandfrei, wenn Ihr Design korrekt ist und das Kernmaterial geeignet ist.