REDEXPERT סימולטור לרכיבים אינדוקטיבים

מהנדסי אלקטרוניקה  בבואם לתכנן  ספק כח ממותג עם lCs מתאים , נתקלים בקשיים בבחירת רכיבים אינדוקטיביים מתאימים בגלל מורכבות הבחירה ועל אף עזרי התכנון  מקוונים, והסימולטורים של יצרני התקנים מוליכים למחצה.

על מנת לתת מענה הולם לבעיות אלו , Wurth Elektronik eiSos פיתחה כלי מקוון חדש בשם  Redexpert    אשר מפשט מאד את בחירת  הרכיבים האינדוקטיביים.

המקורות העיקריים להפסדי הספק במיתוג ספקי כוח הם מוליכים למחצה ומרכיבים אינדוקטיביים. הפסדים מרכיבים אינדוקטיביים עלולים להתרחש בליבה ובסליל.

קביעה מדויקת של הפסדים אלה חשובה יותר מאי פעם עבור מעגלים אמינים עם יעילות גבוהה. ייתכן שיהיה צורך בהגדרת הערכות מורכבות לאמידת הפסדי הליבה של ספקי כח ממותגים, אך אין כל ודאות כי אומדנים אלה יהיו מהימנים עבור ישומיי ספקי הכח.  עד לא מזמן הפסדי הליבה חושבו לפי שיטת שטיין –מינץ.

עם זאת, משוואה זו היא אמינה בתנאים מסוימים עבור חומרים ספציפיים.

Wurth Elektronik eiSos פיתחה מודל חדש המבוסס על בדיקות מעבדה אמינות, המודל מאפשר שהפסדי הליבה ייקבעו באופן מהימן ומדויק. מודל זה מיושם בכלי Redexpert  החדש.

איור 1: עקומת היסטרזיס טיפוסית

האנרגיה האגורה בסלילים

בספקי כח ממותגים ,האנרגיה בתוך הסליל ,נאגרת בצורת שדה מגנטי במהלך החיובי של המיתוג , והעברתו לעומס במהלך השלילי של המיתוג.

הסליל  בדרך כלל מורכב מליפוף של חוט נחושת על ליבה עם תכונות מגנטיות מסויימות.

בכל נקודת זמן, צפיפות השטף המגנטי B היא פרופציונלית לגודל השדה המגנטי H

במשוואה , B היא צפיפות השטף המגנטי ,   היא החדירות היחסית של החומר

זו חדירות האוויר, ו  H הוא גודל השדה המגנטי .

הסליל כרוך סביב הליבה או נמצא בתוכה , ובתוך הליבה יש חתך אוויר אשר בו נשמרת האנרגיה של השדה המגנטי.הליבה מורכבת מחומר פרומגנטי אשר החדירות שלו גבוהה בהרבה מהאוויר.

סלילים מצייתים לחוק אמפר ופאראדיי , היחסים בין הזרם בסליל והשדה המגנטי בליבה  מתוארים על ידי חוק אמפר .

על מנת לפשט את העניין, השדה המגנטי בליבה אמור להיות אחיד לאורך כל אורכה

חוק אמפר יכול להיות מוצג כך :

כאשר N מתאר את מספר הכריכות ו I הוא הזרם בסליל.

על פי חוק פאראדיי המתח על הסליל הוא :

ההשראות יכולה להיות מחושבת מהמשוואת למעלה, כדלקמן :

כאשר  הוא חתך של שטח הליבה.

חומר ממנו מורכבת הליבה הוא בעל  חדירות גבוהה, ומוליכות מגנטית נמוכה, ולכן הוא מהווה את הדרך הקלה ביותר לשטף המגנטי.

הדבר מהווה שטף זרימה גבוה בליבת הסליל ומסייע לסלילים בעלי השראות גבוהה וגודל פיזי קטן . יתרון זה ניתן לראות במשוואה הקודמת.

חומר ליבה עם חדירות גבוהה, מאפשר להשראות L , להיות עם גודל שטח חתך קטן .

בספק כח ממותג , מקסימום צפיפות השטף המגנטי ניתן לחישוב כדלקמן :

שנאים אשר משמשים בספקי כח מבודדים הם גם סלילים אבל עם יותר מסנף אחד.

סנפים אלא מורכבים יותר אבל תכונות הליבה נישארות זהות.

איור 2: הפסדי ליבה לעומת צפיפות שטף מגנטי מקסימלי
בתדרים שונים

הפסדי הספק

הפסדים מתרחשים בליבה וגם בכריכות של הסליל.

הפסדים בכריכות:

הפסדים בכריכות הסליל נגרמים כתוצאה מהתנגדות DC ( RDC  ) ומתופעה שנקראת SKIN EFFECT  ותופעה נוספת שנקראת PROXIMITY EFFECT

הפסדים שנגרמים כתוצאה מהתנגדות  DC  ניתן לחשב כך :

הפסדי הספק כתוצאה מ SKIN EFFECT, PROXIMITY EFFECT מתוארים כהתנגדות AC אשר תלויה בעיקר בתדירות. ישנם דרכים שונות כדי לקבוע את ההשפעות שלהם ברכיבים מגנטים, אבל שיטות מסובכות כגון שיטת DOWELL נחוצות עבור קירוב קרוב.

הפסדי ליבה :

הפסדי הליבה נקבעים ע”י מדידת הצפיפות השטף המגנטי  B כפונקציה  של חוזק השדה  המגנטי H.

הקשר בין B ל H הוא לא לינארי ויש לו היסטרזיס.

היסטרזיס הוא אחד המאפיינים הטיפוסים של חומר הליבה והוא מוביל להפסדי הספק בליבת הסליל.

איור 1 מראה עקומת היסטרזיס טיפוסית B  לעומת H . עם עירור סינוסואידלי של חומר הליבה.

איור 3: מודל בסיסי של ממיר ה DC/DC לקביעת הפסדים

אובדן האנרגיה בליבה במהלך מחזור מיתוג ,תואם את ההפרש בין קלט האנרגיה המגנטית בליבה במהלך השלב החיובי של הפאזה,  ותפוקת האנרגיה בליבה במהלך השלב השלילי של הפאזה.

בנוסף ,ישנם הפסדים ,בכל פעם שאות העירור הופכת את כיוונה , משום שיש צורך באנרגיה על מנת להפוך את כיוון החלקיקים בליבה .

בעזרת חוק אמפר וחוק פאראדי , האנרגיה של הליבה יכולה לבוא לידי ביטוי כך :

אובדן אנרגית הליבה שווה לאזור שמוקף על ידי עקומת ההיסטרזיס כפול נפח הליבה . אובדן ההספק שווה לתוצר של אובדן האנרגיה בתדר המיתוג .

ביטוי זה תקף בתנאי שהליבה אינה מגיעה לרוויה , ותדר המיתוג נמצא בטווח הפעולה הצפוי (לינארי).

האזור  האדום באיור 1 מייצג את אובדן האנרגיה .האובדן גדל בתדרים גבוהים יותר, משום שלולאת ההיסטרזיס משנה את כיוונה מספר פעמים גדול יותר . אובדן האנרגיה בלולאת ההיסטרזיס הוא ביחס ישיר לתדירות .

צורה שניה של אובדן ההספק בליבה, נובעת מזרמי אדי (EDDY) אשר מושרים בליבה כתוצאה משינוי שטף בזמן

חוק לנץ אומר כי שינוי השטף המגנטי גורם לזרם אשר בתורו גורם לשטף מגנטי שזורם בכיוון הפוך לשטף המקורי. זרם זה (EDDY CURRENT )   זורם דרך חומר הליבה וגורם לאובדן אנרגיה

איור 4: צורות גלים באוסילוסקופ של המעגל באיור 3

קביעת ההפסדים

הפסדי הליבה נקבעו בתחילה באמצעות נוסחה הידועה בשם משוואת שטיין-מינץ.

שבו Pv הוא אובדן כח הליבה ליחידת נפח, F הוא התדר  היא צפיפות השטף המגנטי המרבי עם אות סינוסי,   הם קבועים הנגזרים מאיור 2, והם מראים את ההפסדים המשולבים של ההיסטרזיס וזרמי אדי בתוך הליבה.

מדידת הפסדי הליבה קשה משום שמדידה זו דורשת הגדרות מסובכות למדידת צפיפות השטף, וכן הערכה של  שטח עקומת ההיסטירזיס. עקומות אלו נוצרות ע”י החלת אותות סינוסואידלים על ליבה טוראידית עם שני ליפופים של הסליל סביב הליבה .

צריך לקבל נתונים רבים על מנת ליצור תרשים של הפסדי הליבה.

החסרון העיקרי של משוואת שטיין –מינץ הוא שהיא תקפה רק לאות סינוסי.

רוב השטף המגנטי ביישומי אלקטרוניקה ובפרט ב SMPS  הוא אינו כזה. למרות שיש מודלים המנסים להתמודד עם צורות גל שאינן סינוסואידליות ע”י הפרדת ההיסטירזיס והפסדי זרמי האדי, המשוואה האמפירית של שטיין – מינץ הוכיחה את עצמה כאופציה היעילה ביותר.

איור 5: מודל אותות מקיף עבור משוואת שטיין- מינץ
וגרסאות מותאמות

המשוואה מאפשרת דיוק גבוה לחישוב שטף מגנטי בשילוב גל סינוסי.

על מנת לתת פתרון לגלים לא סינוסים, צריך לשלב את המשוואה של שטיין – מינץ , ולכן היא הופכת לבלתי מדוייקת.

המשוואה הבאה,משוואת שטיין –מינץ המותאמת הייתה בשימוש במשך זמן מה .

המונח  המתאים למחזור המשתנה של גל שאינו סינוסי ,בתגובה לחסרונות הנובעים מכך ,פותחה משוואת שטיין-מינץ הכללית :

שתי המשוואות המציגות את הפסדי הליבה ,מבוססות על גל סינוסי וכפופות למגבלות אשר תוארו להלן.

מודל וירט אלקטרוניק להפסדי AC

Wurth Elektronik eiSos  פיתחה מודל מתקדם המאפשר בחירה מדויקת של רכיבים אינדוקטיביים אשר מאפשרים אופטימיזציה של מעגלים.

מודל זה מבוסס על נתונים אמפירים המתקבלים ממדידות בפועל.

במודל זה ההפסדים הכוללים של המוליכים מחולקים להפסדי AC (מתוך האיפנון המגנטי של הסליל והליבה) והפסדי DC (מזרם הDC שעובר בסליל)

איור 6: ליבת SUPERFLUX בדיוטי סייקל של 40%

הנתונים נרכשים באמצעות מעגל DC/DC כפי שמוצג באיור 3 .

המתח עם צורת הגל מוכל על הסליל , הספקי הכניסה והיציאה נמדדים וכך נמדדים הפסדי הAC  במעגל.

תהליך זה מתבצע על ידי מגוון רחב של ניסוים, בהם משתנים פרמטים שונים כמו זרם אדווה , תדר וליבות מחומרים שונים.

הנתונים שמתקבלים משמשים לאחר מכאן ליצירת המודל לחישובי הפסדי AC

עקומות ההיסטרזיס בדפי הנתונים עבור חומרי ליבה טיפוסיים מייצגים את האפיון המגנטי של חומרי הליבה   מאות סינוסואידלי על פני המחזור המלא , איבוד האנרגיה הנובע מעקומת ההיסטרזיס מוצג באיור 5.

גישה זו זהה לזו ששימשה ליצרת הנתונים האמפירים עבור דיאגרמת הליבה הבסיסית באיור 2.

עם זאת , באפליקצית של SMPS ,הליבה פועלת במקסימום צפיפות שטף עם אות דופק קטן באופן משמעותי, והיא מגבילה את גודל עקומת ההיסטרזיס כתוצאה מהפסדי הליבה .

אובדן ההספק תלוי בתדירות שבה לולאת ההסיטרזיס משנה כיוון, ולכן הפסדי ההיסטרזיס פרופציונלים לתדירות.

צורת עקומת ההיסטרזיס תלויה בצורת הגל, בזרם שעובר דרך הסליל, במתח ההפעלה והטמפרטורה. השוני בפרמטרים אלו מקשה מאוד על חישוב מדויק של הפסדי הליבה.

הפחתת המתח על גבי הסליל תקטין את עקומות ההיסטרזיס.

שימוש בעקומות קטנות אלו בדיוק בנקודת ההפעלה, נותן נתונים אמפרים במודל AC של Wurth Elektronik eiSos.

שיטה זו הוכחה כאמינה ומדויקת על פני טווחים רחבים של תדר, זרמי אדווה ודיוטי סייקל.

המודל של Wurth Elektronik eiSos אומת בצורה נרחבת ובהשוואה למודלים קיימים ולנתונים שנמדדו.

הפסדי AC על חומרי ליבה שונים כמו: אבקת ברזל, אבץ-ניקל, אבץ-מנגן , נמדדו על פני טווחים גדולים של דיוטי סייקל ותדירות לעומת מודלים תיאורטים

בדיאגרמות אלו , העקומה הכחולה PST  מקבילה לנוסחת שטיין- מינץ . העקומה הירוקה PGSE משקפת את נוסחת שטיין – מינץ הכללית . העקומה האדומה הRedexpert    מראה את הפסדי הAC לפי מודל Wurth Elektronik eiSos והעקומה השחורה REAL מראה את הפסדי הAC כפי שנמדדו על גבי המעגל.

סיכום:

איור 7: ליבת מנגן – אבץ עם דיוטי סייקל של 50%
איור 8: ליבת מנגן – אבץ עם דיוטי סייקל של 33% .

מודל הפסדי ה AC של  Elektronik eisos  Wurth הוא מודל מדויק לקביעת הפסדי AC

המודל נבדק בשורה של ניסוים בשינוי פרמטרים רחבים של תדר, זרמי אדווה ושינוי מתח כניסה ויציאה והוכח כמדויק ביותר.

השימוש בתוכנה זו מייתר את הצורך לעבוד עם דיאגרמות של הפסדיי AC .

תוכנת הRedexpert    היא כלי Online  לחישוב רכיבים אינדוקטיביים עבור ספקי כח ממותגים  SMPS , היא כלי משלים מצוין לתוכנות דומות של רכיבי SMPS .

יתרונות תוכנת Redexpert

התוצאות מבוססות על ניסוים בזמן אמת, והן נכונות לכל Duty cycle

Redexpert   עובד עם פס רחב של תדרים, בין 10 קילו- הרץ עד 10 מגה- הרץ בדיוק גבוה.

Redexpert    נותן תוצאות מדויקות גם לרכיבים שבנויים מיותר מחומר ליבה אחד.

Redexpert    נותן תוצאות מדויקות של הפסדי AC לחומרי ליבה מאבקת ברזל עד סגסוגת מתכת (Metal Alloy)

Redexpert     עובד עם כל צורות ליבה, עגולה או מרובעת ובכל שיטה של בניית כריכות הסליל.

התוכנה זמינה ברשת, ללא  צורך בהורדה,  לכל משתמש וללא עלות  בלינק הבא:

https://www.we-online.com/redexpert/

Ranjith Bramanpali , תרגום: אסף רז , FAE וירט אלקטורניק ישראל

תגובות סגורות