Materiały magnetyczne nanokrystaliczne - świetne parametry przy niewielkiej objętości elementów

Rys. 1. Poglądowy schemat filtru sieciowego

Popularyzacja zasilaczy impulsowych w sprzęcie elektronicznym, nieustanna miniaturyzacja pogłębia problemy z niekorzystnymi oddziaływaniami elektromagnetyczne pomiędzy zespołami urządzeń prowadząc często do błędnego ich działania (brak kompatybilności EM). Z tego też powodu urządzenia elektroniczne muszą spełniać ostre wymagania standardów dopuszczalnych poziomów emisji elektromagnetycznej, jak też własnej odporności na zewnętrzne elektromagnetyczne oddziaływania.

Jedną z dróg propagacji takich zaburzeń jest zasilający przewód sieciowy, dlatego na wejściu większości urządzeń umieszczane są filtry sieciowe składające się z pojemności i indukcyjności ograniczające poziom zaburzeń przewodzonych. Ich głównym elementem są dławiki sygnałów wspólnych zawierające dwa przeciwstawnie nawinięte uzwojenia znoszące składową od prądu zasilającego.

Prawidłowe działanie takich filtrów - stopień tłumienia sygnałów zakłócających niesymetrycznych oraz także wymiary - determinowane są w dużej mierze poprzez własności materiału magnetycznego użytego do wykonania rdzenia takiego dławika. Zastosowanie nanokrystalicznych materiałów magnetycznych, takich jak Vitroperm, pozwala osiągnąć bardzo dobre rezultaty użytkowe bez konieczności sięgania po kompromisy.

Poziomy określają normy

Rys. 2. Porównanie początkowej przenikalności w funkcji częstotliwości miękkich materiałów magnetycznych używanych w dławikach skompensowanych prądowo

Zasilacze impulsowe ze względu na sposób swego działania generują zwykle wąskopasmowe sygnały zaburzeń z dyskretnymi częstotliwościami wynikającymi z częstotliwości ich kluczowania, typowo mieszczącymi się w zakresie 20-200 kHz, czasami uzupełnionymi o składowe harmoniczne. Przykładami są zasilacze komputerów PC, urządzenia spawające, czy urządzenia zasilania większych mocy.

Inwertery, czyli zasilacze impulsowe z przetwarzaniem DC-AC oraz AC-DC-AC, z reguły emitują zaburzenia z zakresu szerszego pasma częstotliwości od 10 kHz do 30 MHz. Przykładami mogą być przekształtniki częstotliwości systemów sterowania silnikami popularnie nazywane "napędami silników".

Dopuszczalne poziomy emisji zaburzeń oraz odporności urządzeń na zakłócenia określane są przez szereg norm regionalnych jak na przykład EN-55011 czy DIN VDE 0875 lub uwarunkowań światowych jak np. norma CISPR 11. Ich zapisy określają zwykle np. maksymalny dopuszczalny poziom napięcia szumów w paśmie częstotliwości od 150 kHz do 30 MHz i np. w EN-55011 wyznaczają ich zakres granicznymi liniami charakterystyk, przy czym wprowadzają również rozróżnienia w zależności od obszarów zastosowań (przemysłowego i domowego), warunków użytkowania (poddawania polu zewnętrznemu czy wewnętrznemu) i różnych sposobów pomiaru (uśrednionym, chwilowym, szczytowym). Stąd w konsekwencji zadaniem filtru sieciowego jest redukcja napięcia zaburzeń poniżej odpowiadającej linii granicznej w pełnym zakresie częstotliwości od 150 kHz do 30 MHz.

Sam filtr sieciowy (RFI) wraz z układem pracy przedstawia ilustracja na rysunku 1 Użyteczny prąd I zasilania odbiornika wraz z nałożonym sygnałem zaburzeń przepływa przez filtr w obu kierunkach.

W efekcie dla równej liczby uzwojeń nawiniętych w przeciwnych kierunkach tylko różnicowe pole magnetyczne, a więc to tworzone przez sygnał zaburzeń, tworzy resztkowy strumień w materiale rdzenia. W efekcie uzyskuje się tłumienie wspólnego sygnału szumu. Jeśli składowe wysokiej częstotliwości są odprowadzane do masy za pomocą kondensatorów Cy to generowane przez ten prąd składowe pola HIcom nie są kompensowane a dodatkowy efekt tłumienia uzyskuje się dzięki wielkości całkowitej impedancji filtru.

Materiały nanokrystaliczne

Rys. 3. Straty pobudzenia dławików skompensowanych prądowo dla różnej liczby zwojów i różnych materiałów

Kluczowym czynnikiem prawidłowej pracy filtru jest to, aby wynikowe namagnesowanie (indukcja magnesowania), była mniejsza od tej, dla której rdzeń ulega nasyceniu, gdyż w przeciwnym przypadku tłumienie zaburzeń będzie nieefektywne. Najlepsze warunki tłumienia są osiągalne dla materiałów rdzeni z dominującymi własnościami materiału miękkiego o wysokiej zdolności magnesowania i niskich stratach w materiale.

W ubiegłych latach w rdzeniach używane były takie materiały jak permaloj, materiały typu Sendust (materiały tworzone z pyłów będących mieszaninami stali, żywic silikonowych i aluminium), ferryty cynkowo-magnezowe, albo amorficzne kompozycje oparte na kobalcie. W przeciwieństwie do ferromagnetyków stopy te wykazują bardzo niską anizotropię magnetokrystaliczną i znikomy efekt magnetostrykcji. Oba te czynniki są kluczowe dla uzyskania doskonałych miękkich własności magnetycznych.

Należy podkreślić, że gama miękkich materiałów magnetycznych została w ubiegłych latach rozszerzona dzięki opracowaniu tzw. stopów nanokrystalicznych. Dzięki dopracowaniu się stabilnego i niezawodnego procesu produkcji nanokrystalicznych materiałów ze znikomym efektem magnetostrykcji, kompozycja Fe73.5Cu1Nb3Si15.5B7 okazuje się być najdoskonalszym przedstawicielem klasy miękkich materiałów magnetycznych.

Materiał ten jest produkowany w dużych ilościach przez firmę V_AC (Vacumschmelze) i jest dostępny pod handlową nazwą Vitroperm. Materiał ten jest dwufazową strukturą składającą się ultramałych ziaren żelazo-silikonowych o średnicy 10-20 nm, osadzanych w końcowej etapie produkcji fazy amorficznej.

Dzięki temu anizotropia magnetokrystaliny (tak określany jest w literaturze producenta uzyskiwana struktura materiału) uśredniająca się zanika, podobnie nasycenie magnetostrykcji. W konsekwencji materiały te mogą osiągnąć najwyższą przepuszczalność przy najniższej koercji.

Rys. 4. Wpływ temperatury na natężenie nasycenia typowych filtrów sieciowych, który w materiałach o wysokich zdolnościach magnesowania jest zwykle równy indukcji nasycenia Bs

Rdzenie zwijane z taśm magnetycznych wykonanych z tego materiału opisują liniowe pętle histerezy z koercją mniejszą od10 mA/cm (1000 A/m) i indukcją nasycenia 1,2 T. Ponadto ich przenikalności mogą być regulowane od około 15 000 do 200 000. Te właściwości statyczne histerezy w połączeniu osiąganą grubością taśmy 15-25 µm oraz stosunkowo wysoką rezystywnością rzędu 120 µΩcm²/cm prowadzą do doskonałych parametrów dynamicznych, czyli najniższych strat magnetycznych oraz wysokiej przenikalności początkowej aż do najwyższych częstotliwości.

Dzięki wysokiej przenikalności µr takich materiałów możliwe jest osiągnięcie małych rozmiarów elementów. Można też powiedzieć, że najwyższe przenikalności µr materiałów są niezbędnym warunkiem ciągłego postępu miniaturyzacji filtrów sieciowych. Dla przykładu w urządzeniach medycznych wymaga się filtrów CMC o najwyższych impedancjach (najwyższej przenikalności), ponieważ prądy szumów odprowadzane przez pojemności Cy do masy muszą być najmniejsze jak tylko możliwe z uwagi na bezpieczeństwo pacjenta. Jest to warunkiem zapewnienia dostatecznej ochrony osoby wchodzącej w kontakt elektryczny z urządzeniem.

Jak pokazuje rysunek 2 początkowa przenikalność Vitroperm jest porównywalna do najwyższych przenikalności materiałów amorficznych i przewyższa zdecydowanie właściwości materiałów konwencjonalnych. Korzystny zakres charakterystyki częstotliwości zależy od początkowej przenikalności magnetycznej µi i dużej oporności elektrycznej materiału około 120 µΩcm²/cm, w połączeniu z niewielką grubością taśmy nanokrystalicznego materiału na poziomie 20 µm lub mniej.

Wysoka zdolność magnesowania materiału Vitroperm pozwala na mniejszą liczbę zwojów w porównaniu do filtrów używających materiałów ferrytowych. W efekcie pasożytnicza pojemność międzyzwojowa jest znacząco zmniejszana, a początkowa częstotliwość pierwszego rezonansu i początkowa częstotliwość obszaru zmniejszenia podziału przesuwa się do zakresu megahercowego, który w wielu zastosowaniach nie jest już tak istotny, bo poziom zaburzeń w zakresie tych częstotliwości jest już zwykle znacznie niższy.

Unikalne właściwości

Rys. 5. Temperaturowa zależność zdolności magnesowania stopów nanokrystalicznych i ferrytów dla 150 kHz

Dla przykładu w inwerterach napięcie szumów o wysokich amplitudach pochodzą z długich kabli doprowadzeń do silników. W konsekwencji asymetryczna część widma szumów wzrasta znacznie, stąd materiał rdzenia w filtrze musi mieć możliwość absorbowania w krótkim czasie znacznych energii. Jednak, jeśli sygnały szumu są zbyt wielkie, jego tłumiące własności mogą zaniknąć za sprawą efektu nasycenia rdzenia dławika. Można tego uniknąć wybierając materiał rdzenia łączący własności wysokiej indukcji nasycenia z dużą zdolnością magnesowania.

W większości miękkich materiałów magnetycznych, jak np. ferryty MnZn, materiały permalojowe czy oparte na stopach amorficznych kobaltu, duża indukcja nasycenia wyklucza dużą magnesowalność i odwrotnie. Bazujące zaś na żelazie stopy nanokrystaliczne prezentują akurat tę unikalną kombinację cech wysokiej indukcji nasycenia na poziomie 1,2 T ze znaczną zdolnością magnesowania - przenikalnością ponad 100 000.

Wyższa dopuszczalna temperatura pracy

Tabela. Porównanie własności miękkich materiałów magnetycznych do filtrów zasilających

Warto dodać, że temperatury Curie ferrytów i materiałów amorficznych na tłumiki sieciowe są poniżej 300°C, a dla nanokrystalicznego Vitroperm Tc sięga ponad 600°C. W przypadku ferrytów i materiałów amorficznych o wysokiej przenikalności obserwuje się efekt starzenia obniżający przenikalność i pogarszający większość własności dynamicznych i ograniczający zakres temperatur pracy poniżej 80-100°C.

Nanokrystaliczny Vitroperm dzięki wysokiej stabilności cieplnej mikrostruktur nie wykazuje efektu starzenia do 120°C, co daje możliwość projektowania dławików i transformatorów zachowujących parametry w wyższych temperaturach lub miniaturowych elementów pracujących przy wyższych prądach niż ich odpowiedniki wymiarowe wykorzystujące klasyczne materiały magnetyczne.

Stosownie do rysunku 5 początkowa przenikalność materiału Vitroperm dla 150 kHz pozostaje liniowa i niewiele się zmienia w zakresie od -40 do 120°C. Charakterystyki te dla konwencjonalnych materiałów jak ferryty (również permaloj) wykazują nieliniowości, które uwzględnione przy projektowaniu elementów ograniczają zakres ich zastosowań.

Krzysztof Kardach
Contrans TI Sp. z o.o.
www.contrans.pl