Руководство по расчету потерь в сердечнике трансформатора SST и оптимизации обмоток

Проектирование и расчет сердечника высокочастотного изолированного трансформатора SST

• Влияние характеристик материала: Материал сердечника демонстрирует различное поведение потерь при разных температурах, частотах и плотностях магнитного потока. Эти характеристики являются основой для общих потерь сердечника и требуют точного понимания нелинейных свойств.

• Помехи от паразитного магнитного поля: Высокочастотные паразитные магнитные поля вокруг обмоток могут вызывать дополнительные потери в сердечнике. Если их не управлять должным образом, эти паразитные потери могут приблизиться к внутренним потерям материала.

• Динамические условия работы: В резонансных цепях LLC и CLLC форма напряжения и рабочая частота, приложенные к сердечнику, изменяются динамически, что значительно усложняет расчет мгновенных потерь.

• Требования к моделированию и проектированию: Из-за связанной многопараметрической и высоко нелинейной природы системы точная оценка общих потерь трудно достижима вручную. Точное моделирование и симуляция с использованием специализированных программных средств являются необходимыми.

• Требования к охлаждению и потерям: Высокомощные высокочастотные трансформаторы имеют меньшее соотношение площади поверхности к емкости, что требует принудительного охлаждения. Потери в сердечнике из нанокристаллических материалов должны быть точно рассчитаны и объединены с термическим анализом системы охлаждения для оценки увеличения температуры.

(1) Проектирование и расчет обмоток
АС-потери: При высоких частотах увеличение частоты тока приводит к повышению сопротивления обмоток. Импеданс на единицу проводника должен быть рассчитан с использованием специальных формул.

(2) Потери от вихревых токов

Эффект кожного слоя: Когда переменный ток проходит через круглый проводник, возникают концентрические переменные магнитные поля, которые вызывают потери от вихревых токов.
Эффект близости: В многослойных обмотках ток в одном слое влияет на распределение тока в соседних слоях. Соотношение сопротивления переменному току к постоянному должно быть рассчитано с использованием формулы Доуэлла.

где △ — отношение толщины обмотки к глубине кожного слоя, а p — количество слоев обмотки);
Предупреждение о риске: Обмотки, спроектированные инженерами без опыта, могут иметь потери от высокочастотного переменного тока, превышающие потери меди в трансформаторе той же мощности, работающем на частоте 50 Гц, в несколько раз.

Проблемы с аморфными и нанокристаллическими материалами

(1) Проблемы с однородностью сердечника

Даже в одной партии и с одинаковыми характеристиками, нанокристаллические сердечники могут демонстрировать значительные различия в нагреве (потерях) при высокочастотном токе. Требуется входной контроль по параметрам, таким как вес (показатель плотности/коэффициента заполнения), Q-значение (оценка потерь), индуктивность (оценка магнитной проницаемости) и тестирование на увеличение температуры под нагрузкой для оценки потерь.

(2) Потери и ограничения материала

Потери на срезе: Концентрация магнитного поля на срезах увеличивает потери от вихревых токов, делая эти области самыми горячими и нарушая тепловую стабильность.
Неравномерное распределение потерь: Кроме срезов, существуют еще несколько горячих точек вдоль магнитного пути.
Ограничения материала: Аморфные и нанокристаллические материалы испытывают трудности с удовлетворением требований резонансных цепей к низкой магнитной проницаемости. Они генерируют значительный шум ниже 16 кГц и очень чувствительны к механическим напряжениям.