Berechnung von Ferritkerntransformatoren

Berechnung von Ferritkerntransformatoren

Die Berechnung des Ferrittransformators ist ein Prozess, bei dem Ingenieure die verschiedenen Wicklungsspezifikationen und Kerndimensionen des Transformators unter Verwendung von Ferrit als Kernmaterial bewerten. Dies hilft ihnen, einen perfekt optimierten Transformator für eine bestimmte Anwendung zu erstellen.

Der Beitrag enthält eine detaillierte Erklärung zur Berechnung und Konstruktion kundenspezifischer Ferritkerntransformatoren. Der Inhalt ist leicht zu verstehen und kann für Ingenieure auf dem Gebiet von sehr nützlich sein Leistungselektronik und Herstellung von SMPS-Wechselrichtern.



Berechnen Sie Ferrittransformatoren für Wechselrichter und SMPS

Warum Ferritkern in Hochfrequenzwandlern verwendet wird

Vielleicht haben Sie sich oft gefragt, warum Ferritkerne in allen modernen Schaltnetzteilen oder SMPS-Wandlern verwendet werden. Richtig, es ist eine höhere Effizienz und Kompaktheit im Vergleich zu Eisenkernstromversorgungen, aber es wäre interessant zu wissen, wie Ferritkerne es uns ermöglichen, diesen hohen Grad an Effizienz und Kompaktheit zu erreichen?



Es ist weil in Eisenkerntransformatoren, Das Eisenmaterial hat eine viel schlechtere magnetische Permeabilität als Ferritmaterial. Im Gegensatz dazu besitzen Ferritkerne eine sehr hohe magnetische Permeabilität.

Das heißt, wenn Ferritmaterial einem Magnetfeld ausgesetzt wird, kann es einen sehr hohen Magnetisierungsgrad erreichen, besser als alle anderen Formen von Magnetmaterial.



Eine höhere magnetische Permeabilität bedeutet, weniger Wirbelstrom und geringere Schaltverluste. Ein magnetisches Material neigt normalerweise dazu, als Reaktion auf eine ansteigende magnetische Frequenz Wirbelstrom zu erzeugen.

Mit zunehmender Frequenz steigt auch der Wirbelstrom an, was zu einer Erwärmung des Materials und einer Erhöhung der Spulenimpedanz führt, was zu weiteren Schaltverlusten führt.

Ferritkerne können aufgrund ihrer hohen magnetischen Permeabilität aufgrund höherer Wirbelströme und geringerer Schaltverluste effizienter mit höheren Frequenzen arbeiten.



Nun denken Sie vielleicht, warum nicht eine niedrigere Frequenz verwenden, da dies umgekehrt dazu beitragen würde, Wirbelströme zu reduzieren? Es scheint gültig zu sein, eine niedrigere Frequenz würde jedoch auch bedeuten, die Anzahl der Windungen für denselben Transformator zu erhöhen.

Da höhere Frequenzen eine proportional geringere Anzahl von Windungen ermöglichen, ist der Transformator kleiner, leichter und billiger. Aus diesem Grund verwendet SMPS eine hohe Frequenz.

Wechselrichtertopologie

In Wechselrichtern mit Schaltmodus werden normalerweise zwei Arten von Topologien beendet: Push-Pull und Vollbrücke . Der Push-Pull verwendet einen Mittelabgriff für die Primärwicklung, während die Vollbrücke aus einer einzigen Wicklung sowohl für die Primär- als auch für die Sekundärwicklung besteht.

Tatsächlich sind beide Topologien von Natur aus Push-Pull. In beiden Formen wird die Wicklung von den MOSFETs mit einem kontinuierlich schaltenden Rückwärts-Vorwärts-Wechselstrom angelegt, der mit der angegebenen hohen Frequenz schwingt und eine Push-Pull-Aktion imitiert.

Der einzige grundlegende Unterschied zwischen beiden besteht darin, dass die Primärseite des Mittelabgriffstransformators zweimal mehr Windungen aufweist als der Vollbrückentransformator.

Berechnung des Ferritkern-Wechselrichtertransformators

Die Berechnung eines Ferritkerntransformators ist eigentlich recht einfach, wenn Sie alle angegebenen Parameter zur Hand haben.

Der Einfachheit halber versuchen wir, die Formel anhand eines Beispiels zu lösen, das für einen 250-Watt-Transformator eingerichtet wurde.

Die Stromquelle ist eine 12-V-Batterie. Die Frequenz zum Schalten des Transformators beträgt 50 kHz, eine typische Zahl bei den meisten SMPS-Wechselrichtern. Wir gehen davon aus, dass der Ausgang 310 V beträgt, was normalerweise der Spitzenwert eines 220 V RMS ist.

Hier wird die 310 V nach Gleichrichtung durch eine schnelle Wiederherstellung sein Brückengleichrichter und LC-Filter. Wir wählen den Kern als ETD39.

Wie wir alle wissen, wenn a 12 V Batterie verwendet wird, ist seine Spannung nie konstant. Bei voller Ladung liegt der Wert bei etwa 13 V, was ständig abnimmt, wenn die Wechselrichterlast Strom verbraucht, bis sich die Batterie schließlich bis zu ihrer niedrigsten Grenze entlädt, die typischerweise 10,5 V beträgt. Für unsere Berechnungen werden wir also 10,5 V als Versorgungswert für betrachten V. in (min).

Primäre Kurven

Die Standardformel zur Berechnung der primären Windungszahl ist unten angegeben:

N. (zuerst)= V. in (Substantiv)x 108/ 4 x f x B. maxx ZU c

Hier N. (zuerst)bezieht sich auf die primären Zugnummern. Da wir in unserem Beispiel eine Push-Pull-Topologie für den mittleren Abgriff ausgewählt haben, ergibt sich die Hälfte der Gesamtzahl der erforderlichen Windungen.

  • Wein (Nachname)= Durchschnittliche Eingangsspannung. Da unsere durchschnittliche Batteriespannung 12 V beträgt, nehmen wir Wein (Nachname)= 12.
  • f = 50 kHz oder 50.000 Hz. Dies ist die von uns gewählte bevorzugte Schaltfrequenz.
  • B. max= Maximale Flussdichte in Gauß. In diesem Beispiel nehmen wir an B. maxim Bereich von 1300G bis 2000G liegen. Dies ist der Standardwert der meisten Transformatorkerne auf Ferritbasis. Lassen Sie uns in diesem Beispiel mit 1500G rechnen. Also haben wir B. max= 1500. Höhere Werte von B. maxwird nicht empfohlen, da dies dazu führen kann, dass der Transformator den Sättigungspunkt erreicht. Umgekehrt sind niedrigere Werte von B. maxkann dazu führen, dass der Kern nicht ausreichend genutzt wird.
  • ZUc= Effektive Querschnittsfläche in cmzwei. Diese Informationen können gesammelt werden aus den Datenblättern der Ferritkerne . Möglicherweise finden Sie auch A.cpräsentiert als A.ist. Für die ausgewählte Kernnummer ETD39 beträgt die im Datenblatt angegebene effektive Querschnittsfläche 125 mmzwei. Das entspricht 1,25 cmzwei. Deshalb haben wir, A.c= 1,25 für ETD39.

Die obigen Abbildungen geben die Werte für alle Parameter an, die zur Berechnung der Primärwindungen unseres SMPS-Wechselrichtertransformators erforderlich sind. Wenn wir also die entsprechenden Werte in der obigen Formel einsetzen, erhalten wir:

N. (zuerst)= V. in (Substantiv)x 108/ 4 x f x B. maxx ZU c

N. (zuerst)= 12 x 108/ 4 x 50000 x 1500 x 1,2

N. (zuerst)= 3,2

Da 3.2 ein Bruchwert ist und in der Praxis schwierig zu implementieren sein kann, runden wir ihn auf 3 Umdrehungen ab. Bevor wir diesen Wert endgültig festlegen, müssen wir jedoch untersuchen, ob der Wert von B. maxist weiterhin kompatibel und liegt im akzeptablen Bereich für diesen neuen gerundeten Wert 3.

Denn eine Verringerung der Anzahl der Windungen führt zu einer proportionalen Erhöhung der Windungen B. maxDaher ist es unbedingt erforderlich zu prüfen, ob die erhöht B. maxliegt für unsere 3 Primärrunden immer noch im akzeptablen Bereich.

Gegenprüfung B. maxDurch Ersetzen der folgenden vorhandenen Werte erhalten wir:
Wein (Nachname)= 12, f = 50000, N. beim= 3, ZU c= 1,25

B. max= V. in (Substantiv)x 108/ 4 x f x N. (zuerst)x ZU c

B. max= 12 x 108/ 4 x 50000 x 3 x 1,25

B. max= 1600

Wie das neue zu sehen ist B. maxWert für N. (beim)= 3 Umdrehungen sehen gut aus und liegen gut im akzeptablen Bereich. Dies bedeutet auch, dass Sie jederzeit die Anzahl der Personen manipulieren möchten N. (zuerst)Umdrehungen müssen Sie sicherstellen, dass es mit dem entsprechenden neuen übereinstimmt B. maxWert.

Im Gegensatz dazu kann es möglich sein, zuerst die zu bestimmen B. maxfür eine gewünschte Anzahl von Primärwindungen und passen Sie dann die Anzahl der Windungen auf diesen Wert an, indem Sie die anderen Variablen in der Formel entsprechend modifizieren.

Sekundärdrehungen

Jetzt wissen wir, wie man die Primärseite eines Ferrit-SMPS-Wechselrichtertransformators berechnet. Es ist Zeit, auf die andere Seite zu schauen, die die Sekundärseite des Transformators ist.

Da der Spitzenwert für die Sekundärwicklung 310 V betragen muss, soll der Wert für den gesamten Batteriespannungsbereich von 13 V bis 10,5 V erhalten bleiben.

Zweifellos müssen wir eine beschäftigen Rückmeldungssystem zur Aufrechterhaltung eines konstanten Ausgangsspannungspegels, zur Bekämpfung niedriger Batteriespannungen oder ansteigender Laststromschwankungen.

Dafür muss jedoch ein gewisser oberer Rand oder Spielraum vorhanden sein, um diese automatische Steuerung zu ermöglichen. Ein Rand von +20 V sieht gut genug aus, daher wählen wir die maximale Ausgangsspitzenspannung als 310 + 20 = 330 V.

Dies bedeutet auch, dass der Transformator so ausgelegt sein muss, dass er 310 V bei der niedrigsten Batteriespannung von 10,5 V ausgibt.

Für die Rückkopplungsregelung verwenden wir normalerweise eine selbsteinstellende PWM-Schaltung, die die Impulsbreite bei schwacher oder hoher Batterie erweitert und bei Leerlauf oder optimalen Batteriebedingungen proportional verengt.

Dies bedeutet, bei schwache Batteriezustände Die PWM muss sich automatisch auf das maximale Tastverhältnis einstellen, um den festgelegten 310-V-Ausgang aufrechtzuerhalten. Diese maximale PWM kann mit 98% des gesamten Arbeitszyklus angenommen werden.

Die 2% Lücke bleibt für die Totzeit. Die Totzeit ist die Nullspannungslücke zwischen jeder Halbzyklusfrequenz, während der die MOSFETs oder die spezifischen Leistungsvorrichtungen vollständig abgeschaltet bleiben. Dies gewährleistet garantierte Sicherheit und verhindert ein Durchschießen über die MOSFETs während der Übergangsperioden der Push-Pull-Zyklen.

Daher ist die Eingangsversorgung minimal, wenn die Batteriespannung ihren minimalen Pegel erreicht, dh wenn V. im= V. in (min)= 10,5 V. Dadurch wird der Arbeitszyklus auf maximal 98% eingestellt.

Die obigen Daten können zur Berechnung der durchschnittlichen Spannung (DC RMS) verwendet werden, die für die Primärseite des Transformators erforderlich ist, um 310 V an der Sekundärseite zu erzeugen, wenn die Batterie mindestens 10,5 V beträgt. Dazu multiplizieren wir 98% mit 10,5 as unten gezeigt:

0,98 x 10,5 V = 10,29 V, dies ist die Nennspannung, die unsere Transformatorprimärwicklung haben soll.

Jetzt kennen wir die maximale Sekundärspannung von 330 V und die Primärspannung von 10,29 V. Dadurch können wir das Verhältnis der beiden Seiten wie folgt ermitteln: 330: 10,29 = 32,1.

Da das Verhältnis der Nennspannungen 32,1 beträgt, sollte auch das Windungsverhältnis das gleiche Format haben.

Das heißt, x: 3 = 32,1, wobei x = Sekundärwindungen, 3 = Primärwindungen.

Wenn wir dies lösen, können wir schnell die sekundäre Anzahl von Umdrehungen erhalten

Daher ist die Sekundärwindung = 96,3.

Die Abbildung 96.3 zeigt die Anzahl der Sekundärwindungen, die wir für den vorgeschlagenen Ferrit-Wechselrichtertransformator benötigen, den wir entwerfen. Wie bereits erwähnt, runden wir es auf 96 Umdrehungen ab, da es praktisch schwierig ist, Teilwerte zu implementieren.

Damit sind unsere Berechnungen abgeschlossen, und ich hoffe, dass alle Leser hier erkannt haben, wie man einfach einen Ferrittransformator für eine bestimmte SMPS-Wechselrichterschaltung berechnet.

Berechnung der Hilfswicklung

Eine Hilfswicklung ist eine Zusatzwicklung, die ein Benutzer möglicherweise für eine externe Implementierung benötigt.

Angenommen, zusammen mit den 330 V an der Sekundärseite benötigen Sie eine weitere Wicklung, um 33 V für eine LED-Lampe zu erhalten. Wir berechnen zuerst die sekundär: Hilfs Windungsverhältnis in Bezug auf die Nennspannung der Sekundärwicklung 310 V. Die Formel lautet:

N.ZU= V.sek/ (V.zum+ V.d)

N.ZU= Sekundär: Hilfsverhältnis, V.sek= Sekundär geregelte gleichgerichtete Spannung, V.zum= Hilfsspannung, V.d= Diodenvorwärtsabfallwert für die Gleichrichterdiode. Da wir hier eine Hochgeschwindigkeitsdiode benötigen, verwenden wir einen Schottky-Gleichrichter mit einem V.d= 0,5 V.

Das Lösen gibt uns:

N.ZU= 310 / (33 + 0,5) = 9,25, runden wir es auf 9 ab.

Lassen Sie uns nun die Anzahl der Windungen ableiten, die für die Hilfswicklung erforderlich sind. Wir erhalten dies, indem wir die Formel anwenden:

N.zum= N.sek/ N.ZU

Wo N.zum= Hilfswindungen, N.sek= Sekundärwindungen, N.ZU= Hilfsverhältnis.

Aus unseren vorherigen Ergebnissen haben wir N.sek= 96 und N.ZU= 9, wenn wir diese in die obige Formel einsetzen, erhalten wir:

N.zum= 96/9 = 10,66, abrunden ergibt 11 Runden. Um 33 V zu erhalten, benötigen wir 11 Windungen auf der Sekundärseite.

Auf diese Weise können Sie eine Hilfswicklung nach Ihren Wünschen dimensionieren.

Einpacken

In diesem Beitrag haben wir anhand der folgenden Schritte gelernt, wie Wechselrichtertransformatoren auf Ferritkernbasis berechnet und konstruiert werden:

  • Primärwindungen berechnen
  • Sekundärwindungen berechnen
  • Bestimmen und bestätigen B. max
  • Bestimmen Sie die maximale Sekundärspannung für die PWM-Rückkopplungsregelung
  • Finden Sie das primäre Sekundärwindungsverhältnis
  • Berechnen Sie die sekundäre Windungszahl
  • Berechnen Sie die Windungen der Hilfswicklung

Mit den oben genannten Formeln und Berechnungen kann ein interessierter Benutzer auf einfache Weise einen kundenspezifischen Wechselrichter auf Ferritkernbasis für SMPS-Anwendungen entwerfen.

Bei Fragen und Zweifeln können Sie gerne das Kommentarfeld unten verwenden. Ich werde versuchen, es frühestens zu lösen




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