Изчисляване и производство на "сърцето" на SMPS - импулсен трансформатор. Част 2

Фигура 1 - Ето трансформатор с мощност 2 kW за H-моста, накрая ще го получим

Страхотна битка или кой материал да избера?

Веднъж, като въведох импулсна технология в арсенала си, си помислих, че трансформаторите могат да бъдат направени само на ферит, достъпен за всички. След като събрах първите дизайни, първото нещо, което реших да ги поставя пред съда на по-опитни другари и много често чух следната фраза: „Вашият ферит не е най-добрият материал за импулсен генератор.“. Веднага реших да ги попитам каква алтернатива може да му се противопостави и те ми казаха - алсифер или както се нарича още Синдаст.

Защо е толкова добър и наистина ли е по-добър от ферит?

Първо трябва да решите какво трябва да може почти идеалният материал за трансформатор:
1) трябва да бъде магнитно мек, тоест е лесно да се намагнетизира и размагнити

Фигура 2 - Цикли на хистерезис на феромагнетиците: 1) твърд цикъл, 2) мек цикъл

2) материалът трябва да има възможно най-високата индукция на насищане, което ще позволи или да намали размерите на сърцевината, или, като същевременно ги поддържа, да увеличи мощността

3) материалът трябва да има най-ниските възможни загуби от намагнитване и токове на Фуко

4) свойствата на материала не трябва да се променят значително при външни въздействия: механични сили (компресия или опън), промени в температурата и влажността.

Сега нека разгледаме свойствата на ферита и доколко той отговаря на горните изисквания.

Феритът е полупроводник, което означава, че има собствено високо електрическо съпротивление. Това означава, че при високи честоти вихровите загуби (токове Фуко) ще бъде доста ниско. Оказва се, че поне едно от условията от горния списък вече е изпълнено. Продължавай…
Феритите са термично стабилни и нестабилни, но този параметър не е определящ за SMPS. Важно е феритите да работят стабилно в температурния диапазон от -60 до +100 o C и това е за най-простите и евтини марки.

Фигура 3 - Крива на намагнитване при честота 20 kHz при различни температури

И накрая, най-важният момент - на графиката по-горе видяхме параметър, който ще определи почти всичко - индукция на насищане. За ферит обикновено се приема 0,39 Тесла. Струва си да се помни, че при различни условия този параметър ще се промени. Това зависи както от честотата, така и от работната температура и от други параметри, но трябва да се постави специален акцент върху първите два.

Изход: феритен ништяк! чудесно за нашите задачи.

Няколко думи за алсифера и как се различава

1) alsifer работи в малко по-широк диапазон от температури: от -60 до +120 o C - подходящ ли е? Дори по-добре от ферит!
2) коефициентът на загуба за хистерезис в алсифера е постоянен само в слаби полета (при ниска мощност), в мощно поле те растат и много силно - това е много сериозен минус, особено при мощности над 2 kW, така че губи тук.
3) индукция на насищане до 1,2 T!, 4 пъти повече от ферит! - основният параметър вече изпреварва, но не всичко е толкова просто ... Разбира се, това предимство няма да отиде никъде, но точка 2 го отслабва и много - определено плюс.

Изход: alsifer е по-добър от ферит, не ме излъгаха за този тип.

Резултат от битката: всеки, който чете описанието по-горе, ще ни каже alsifer да ни даде! И с право ... но се опитайте да намерите ядро на алсифер с обща мощност 10 kW? Тук обикновено човек стига до задънена улица, оказва се, че те не се продават и ако има, тогава да поръчате директно от производителя и цената ще ви изплаши.
Оказва се, че използваме ферит, особено ако го оценим като цяло, той губи много малко ... феритът се изчислява спрямо алсифера в „8 от 10 папагала“.

И така пристъпваме към изчисляването и производството на трансформатора

Преди всичко бих искал веднага да си припомня един много сериозен момент - пропастта в ядрото. Той може да "убие" цялата мощност или да добави 30-40% повече. Искам да ви напомня какво правим трансформатор за Н-мост, и се отнася до - преобразуватели напред (напред по-буржоазно). Това означава, че разстоянието в идеалния случай трябва да бъде 0 mm.
Веднъж, докато учех за 2-3 курса, реших да сглобя заваръчен инвертор, обърнат към топологията на инверторите Kemppi. Там видях празнина от 0,15 мм в трансформаторите. Стана интересно за какво е той. Не се обърнах към учителите, а взех и се обадих в руското представителство на Кемпи! Какво да загубя? За моя изненада бях свързан с електроинженер и той ми каза няколко теоретични точки, които ми позволиха да "пълзя" над тавана от 1 kW.
Ако накратко - просто е необходим празнина от 0,1-0,2 mm! Това увеличава скоростта на размагнитване на сърцевината, което позволява да се изпомпва повече мощност през трансформатора. Максималният ефект от такъв финт с ушите на пролуката, достигнат в топологията "Кос мост", там въвеждането на празнина от 0,15 мм дава увеличение от 100%! В нашата H-мост това увеличение е по-скромно, но мисля, че 40-60% също не е лошо.

За да направим трансформатор, се нуждаем от следния комплект:

и)

Фигура 4 - Феритна сърцевина E70/33/32, изработена от материал 3C90 (малко по-добър аналог на N87)

б)

Risukok 5 - Рамка за сърцевината E70/33/32 (по-голямата) и дросел D46 от прахообразно желязо

Общата мощност на такъв трансформатор е 7,2 kW. Нуждаем се от такъв запас, за да осигурим пускови токове 6-7 пъти по-високи от номиналните (600% според TK). Такива пускови токове са верни само за асинхронни двигатели, но всичко трябва да се вземе предвид!
Изведнъж, определен дросел „изплува“, той ще е необходим в нашата по-нататъшна схема (до 5 парчета) и затова реши да покаже как да го навива.

След това трябва да изчислите параметрите на намотката. Използвам програма от известен приятел в определени кръгове Starichok51. Човек с големи знания и винаги готов да преподава и помага, за което благодарение на него - по негово време е помогнал да излезе на правия път. Програмата се нарича - ОтличноIT 8.1.

Давам пример за изчисление за 2 kW:

Фигура 6 - Изчисляване на импулсен трансформатор за мостова верига с 2 кВт

Как да изчислим:

2) Маркирано в синьо.
а) поставяме 400V, защото това е резерв за обратна връзка на напрежението и за намаляване на синуса са необходими минимум 342V
б) номинален ток. Избираме от разглеждане 2400 W/220 (230) V = 12A. Както можете да видите, навсякъде правя запас от поне 20%. Това прави всеки уважаващ себе си производител на качествено оборудване. В СССР такъв запас беше еталон 25% дори за най-трудните условия. Защо 220 (230) V е напрежението на изхода на вече чист синус.
в) минимален ток. Избран от реалните условия, този параметър влияе върху размера на изходния дросел, следователно, колкото по-висок е минималният ток, толкова по-малък е дроселът и следователно е по-евтино устройството. Отново избрах най-лошия вариант 1А, това е ток за 2-3 крушки или 3-4 рутера.
г) падане на диоди. Защото ще имаме ултра бързи диоди на изхода, тогава спадът върху тях е 0.6V при най-лошите условия (температурата е превишена).
д) диаметър на проводника. Веднъж си купих 20 кг медна намотка за такъв случай и то просто с диаметър 1 мм. Тук поставяме този, който имате. Не ви съветвам да инсталирате повече от 1,18 мм. ефектът на кожата ще започне да се проявява

3) Маркирано в зелено. Тук всичко е просто - планираме да имаме топология „пълен мост“ и да я изберем.

4) Маркирано в оранжево. Процесът на избор на ядро протича, всичко е интуитивно. Голям брой стандартни ядра вече са в библиотеката, като нашата, но ако нещо може да се добави чрез въвеждане на размери.

5) Маркирано в лилаво. Изходни параметри с изчисления. Подчертах коефициента в отделен прозорец. запълнете прозореца, не забравяйте - не повече от 0,35 и за предпочитане не повече от 0,3. Дадени са и всички необходими стойности: броят на завъртанията за първичната и вторичната намотка, броят на проводниците с предварително определен диаметър в "оплетката" за навиване.
Дадени са и параметрите за по-нататъшно изчисляване на изходния дросел: индуктивност и пулсации на напрежението.

При това изчисление всичко е по-просто и по-ясно, работи по същия принцип, изходните данни: броят на завъртанията и броят на проводниците в плитката.

Етапи на производство

Сега разполагаме с всички данни за направата на трансформатор и дросел.
Основното правило за навиване на импулсен трансформатор е, че всички намотки, без изключение, трябва да се навиват в една посока!

Етап 1:

Фигура 8 - Процесът на навиване на вторичната (високо напрежение) намотка

Навиваме необходимия брой завъртания на рамката в 2 проводника с диаметър 1 mm. Помним посоката на навиване или по-скоро го маркираме с маркер върху рамката.

Етап 2:

Фигура 9 - Изолираме вторичната намотка

Изолираме вторичната намотка с флуоропластична лента с дебелина 1 мм, такава изолация може да издържи поне 1000 V. Ние също я импрегнираме с лак, това е + 600 V към изолацията. Ако няма флуоропластична лента, тогава ние я изолираме с обичайната водопроводна тръба на 4-6 слоя. Това е същият флуоропласт, дебел само 150-200 микрона.

Етап 3:

Фигура 10 - Започваме да навиваме първичната намотка, спояваме проводниците към рамката
Ние навиваме намотката в една посока с вторичната намотка!

Етап 4:

Фигура 11 - Извеждаме опашката на първичната намотка

Затяга намотката, изолирайте я с флуоропластична лента. Препоръчително е също така да се накисва с лак.

Етап 5:

Фигура 12 - Наситете с лак и запойте "опашката". Намотката свърши.
Етап 6:

Фигура 13 - Завършваме навиването и изолацията на трансформатора със защитна лента с окончателно импрегниране в лак

Етап 7:

Фигура 14 - Прилича на завършената версия на трансформатора

По време на процеса на залепване се установява празнина от 0,15 mm чрез поставяне на подходящ филм между половинките на сърцевината. Най-добрият вариант е филм за печат. Сърцевината е залепена с лепило (добро) или епоксидна смола. Първата опция е от векове, втората позволява, в случай на нещо, да разглоби трансформатора без повреди, например, ако трябва да навиете друга намотка или да добавите завои.

Намотка на дросела

Сега, по аналогия, е необходимо да се навива дросела, разбира се, е по-трудно да се навива върху тороидалната сърцевина, но тази опция ще бъде по-компактна. Разполагаме с всички данни от програмата, основният материал е разпрашено желязо или пермалой. Индукцията на насищане за този материал е 0,55 T.

Етап 1:

Фигура 15 - Увийте пръстена с флуоропластична лента

Тази операция ви позволява да избегнете случая с повреда на намотката на сърцевината, това е рядко, но ние сме за качеството и правим за себе си!

Етап 2:

Фигура 16 - Навиваме необходимия брой завъртания и изолираме

В този случай броят на завъртанията няма да се побере в един слой намотка, поради което след навиване на първия слой е необходимо да се полира и навие вторият слой, последвано от изолация.

Етап 3:

Фигура 17 - Изолирайте след втория слой и накиснете с лак