Малогабаритные помехоподавляющие магнитопроводы из аморфных металлических сплавов

категория

Электронные устройства

материалы в категории

Э. ФОЧЕНКОВ, г. Боровичи Новгородской обл.
Радио, 2003 год, № 2

Магнитопроводы из аморфных металлических сплавов навивают из тонких (в среднем 25 мкм) лент (рис. 1). Подбирая материал и режим термообработки, можно получить уникальные свойства, оптимальные для конкретного применения изделий.

На приведенном фрагменте функциональной схемы преобразователя показаны четыре типа магнитопроводов (см. рекламу фирмы "Мстатор" на с. 33): 1 — для корректоров коэффициента мощности. Благодаря большой индукции насыщения (1,45 Тл), малым потерям и возможности работы при повышенной температуре, применение подобных магнитопроводов позволяет уменьшить габариты и массу устройства;

2 — тороидальные с режимом насыщения для магнитных усилителей (магнитных ключей). Эти магнитопроводы имеют уникальные свойства: высокий коэффициент прямоугольности петли гистерезиса (0,96...0,98), малые потери и небольшая коэрцитивная сила на высокой частоте. Типовое применение магнитных ключей — многоканальные источники питания, в которых обратная связь на ШИМ-регулятор поступает с одного из выходов, а стабилизация напряжения в остальных каналах обеспечивается применением магнитных ключей. Такое построение источников питания устраняет зависимость напряжения в одном из каналов от степени нагруженности других, повышает стабильность и уменьшает пульсации выходного напряжения, позволяет легко реализовать раздельное внешнее управление, раздельную защиту каналов по току с разными порогами. Подобные магнитопроводы применяют и для стабилизации выходного тока, например, в зарядных устройствах. Кроме того, эти изделия позволяют повысить КПД и надежность устройства;

3 — помехоподавляющие. Их часто используют с одновитковой обмоткой: просто одевают на вывод элемента — диода, транзистора. Такие магнитопроводы обеспечивают эффективное подавление радиопомех и снижение высокочастотных пульсаций выходного напряжения;

4 — малогабаритные тороидальные для силовых дросселей (индукторов). Эти магнитопроводы характеризуются большим уровнем подмагничивания постоянным током при сохранении высокой проницаемости. Они имеют высокую индукцию насыщения (1,45 Тл) и малые потери, позволяют уменьшить габариты устройства и обеспечивают работу при более высоком уровне подмагничивания постоянным током, чем при использовании магнитопроводов из традиционных материалов.

Кроме того, магнитопроводы из аморфных металлических сплавов применяют в синфазных фильтрах импульсных источников питания. Здесь используются материалы с узкой петлей гистерезиса, высокой начальной магнитной проницаемостью (до 150000), малыми потерями на высокой частоте. Для получения необходимой индуктивности требуется небольшое число витков, что кроме уменьшения габаритов, обеспечивает малую паразитную емкость обмотки и высокий коэффициент подавления синфазной помехи.

Далее остановимся более детально на применении миниатюрных помехоподавляющих магнитопроводов.

Эти изделия препятствуют быстрым изменениям электрического тока, которые в противном случае могли бы привести к электрическим шумам и помехам. В отличие от других, этот метод устраняет саму причину возникновения помех. Благодаря прямоугольной форме петли гистерезиса, помехоподавляющие магнитопроводы имеют очень большую индуктивность в момент перехода тока через нуль, что эффективно демпфирует любые быстрые изменения тока. После установления номинального тока магнитопровод насыщается, его индуктивность уменьшается и не оказывает влияния на работу устройства. Например, подобные изделия просто и эффективно уменьшают шумы, вызванные обратным током восстановления в полупроводниковых коммутационных элементах в момент выключения.

Одновитковые помехоподавляющие устройства (на основе цилиндрических магнитопроводов) конструктивно оптимизированы для использования с одновитковой обмоткой, которой обычно является вывод компонента. Их одевают на вывод элемента (транзистора, диода) перед монтажом на печатную плату (рис. 2).

Многовитковые помехоподавляющие устройства ("spike killers" или "убийцы выбросов") представляют собой небольшие магнитопроводы насыщения с обмоткой из нескольких витков.

Преимущество описываемых устройств, по сравнению с другими методами, заключается в более высокой эффективности (вследствие устранения причины помех — быстрых изменений тока), меньших потерях (суммарные потери ниже, чем в обычной RC-цепи, особенно на высокой частоте), экономии площади печатной платы (одеваются непосредственно на выводы полупроводников, не требуя дополнительного места на печатной плате). Этот класс магнитопроводов широко применяют в импульсных источниках питания, преобразователях постоянного напряжения в постоянное, узлах управления электродвигателями, переключательных полупроводниковых устройствах, в малогабаритных синфазных фильтрах. Кроме подавления шумов, помехоподавляющие дроссели используют для защиты полупроводников, поскольку устраняют потенциально опасные выбросы напряжения.

Принцип работы помехоподавляющего магнитопровода поясняет рис. 3. Во время протекания постоянного прямого тока (область "I" на рис. 3,а) магнитопровод насыщен и его намагничивание остается почти постоянным (область "Г на рис. 3,6), поэтому дроссель имеет очень низкую индуктивность.

После выключения, когда прямой ток диода уменьшается, магнитопровод еще насыщен и индуктивность дросселя по-прежнему мала (область "II" на рис. 3).

Ток диода продолжает уменьшаться и меняет свое направление (область "III" на рис. 3,а). Период обратного восстановления диода характерен высоким значением di/dt, что и является основной причиной помех. В это время магнитопровод начинает перемагничиваться (область "III" на рис. 3,6), индуктивность дросселя быстро увеличивается, что приводит к уменьшению броска обратного тока диода.

Когда диод закроется, магнитопровод останется практически в размагниченном состоянии (область "IV" на рис. 3).

Как только приходит следующий импульс, диод снова включается, а магнитопровод, намагничиваясь, быстро входит в насыщение (область "V" на рис. 3) и описанный выше процесс повторяется.

На рис. 4 показаны примеры использования помехоподавляющих магнитопроводов (красным цветом выделены помехоподавляющие дроссели, желтым — накопительные дроссели на основе магнитопроводов МД из аморфного сплава с режимом подмагничивания постоянным током): а — импульсный стабилизатор; б — двухтактный преобразователь; в — обратноходовый преобразователь; г — узел управления электродвигателем; д — прямоходовый преобразователь; е — мостовой узел управления электродвигателем.

На рис. 5 показаны сравнительные осциллограммы, наглядно демонстрирующие преимущества помехоподавляющих устройств из аморфных металлических сплавов на примере прямоходового преобразователя

Для увеличения кликните по изображению (откроется в новом окне)

На рисунке показано: а, б — пульсации выходного напряжения, частота f=150 кГц, выходное напряжение Uвых=15 В, ток нагрузки IН=10 А: а — амплитуда пульсаций 67 мВ (RC-цепь и ферритовыи магнитопровод), б — амплитуда пульсаций 45 мВ (МП4-2-4.5АП); в, г — напряжение на входе выпрямителя (вверху — напряжение на аноде диода, внизу — ток через диод), f=500 кГц, Uвых=5 В, lH=20 А: в — без применения мер по демпфированию, г — МП4-2-4.5; д, е — напряжение на коммутирующем MOSFET транзисторе, частота 250 кГц: д — максимальное напряжение 715 В (ферритовыи магнитопровод 4-2-4), е — максимальное напряжение 690 В (МП4-2-4.5); ж, з — соответствующие д, е пульсации выходного напряжения преобразователя, f=250 кГц, Uвых=5 В, 1н=15 А: ж — амплитуда пульсаций 140 мВ (ферритовыи магнитопровод 4-2-4), з — амплитуда пульсаций 87 мВ (МП4-2-4.5).

В табл. 1 приведены общие рекомендации при выборе помехоподавляющих магнитопроводов, применяемых в импульсных источниках. После того, как группа определена, конкретный типономинал выбирают исходя из следующих соотношений.

Для эффективного подавления фронта обратного тока восстановления диода с помощью одновитковых устройств необходимо выполнение условия 2Фm≥(Ucxtrr), где 2Фm — максимальный (двойной размах) поток в магнитопроводе, Вб; Uc — обратное напряжение на диоде, В; trr — время обратного восстановления диода, с.

В качестве примера рассмотрим разрядный (коммутирующий) диод (рис. 4,д) прямоходового преобразователя с выходным напряжением 12 В. Время обратного восстановления диода — 35 не, скважность импульсов — 0,3 (30 %).

По табл. 1 выбираем цилиндрический помехоподавляющий магнитопровод. Затем вычисляем правую часть выражения:

Из табл. 2 выбираем наименьший магнитопровод, удовлетворяющий этому условию — МПЗх2х4.5АП.

Для многовитковых устройств должно выполняться условие

где 2Фm — максимальный магнитный поток в магнитопроводе, Вб; Аw — площадь окна (обмотки) по внутреннему диаметру корпуса магнитопровода, мм²; Uc — напряжение на элементе, В; l0 — ток элемента, А; trr — время обратного восстановления, с.

В качестве примера рассмотрим разрядный (коммутирующий) диод прямоходового преобразователя с выходным напряжением 24 В и током нагрузки 2 А. Время обратного восстановления диода — 60 не, скважность импульсов — 0,3 (30 %).

По табл. 1 выбираем многовитковый дроссель. Затем вычисляем правую часть выражения:

Из табл. 3 выбираем наименьший магнитопровод, удовлетворяющий этому условию — МН080704.5А.

Диаметр провода (в мм) и число витков обмотки для выбранного магнитопровода вычисляют по следующим соотношениям:

Выбираем целое значение N=8 витков.

Окончательный оптимальный выбор помехоподавляющего дросселя производится при практическом тестировании реального устройства.

Ориентировочные рекомендации по применению цилиндрических помехоподавляющих магнитопроводов приведены в табл. 4 (для прямоходовых преобразователей) и в табл. 5 (для обратноходовых преобразователей).