Elementy magnetyczne kluczem rozwoju systemów energoelektronicznych
| TechnikaElementy magnetyczne są nieodłączną częścią systemów elektronicznych i energoelektronicznych. Ich podstawową funkcją jest filtrowanie, tłumienie tętnień oraz oscylacji prądu. Stanowią one nieodłączną parę dopasowaną do układów półprzewodnikowych, definiując parametry systemu. O ile tradycyjny stan wiedzy dotyczący półprzewodników krzemowych jest dobrze znany, o tyle w zakresie nowych półprzewodników szerokopasmowych obserwujemy obecnie dynamiczny rozwój.
Najnowsze trendy oraz osiągnięcia technologiczne umożliwiają komercjalizację systemów bazujących na tranzystorach wykonanych z węglika krzemu (SiC) oraz azotku galu (GaN). Zastosowanie nowych materiałów półprzewodnikowych pozwala na opracowanie mniejszych i kompaktowych przekształtników energoelektronicznych charakteryzujących się większą częstotliwością pracy. Redukcja wymiarów to również większe gęstości mocy stanowiące wyzwanie dla systemów odprowadzania ciepła oraz redukcji strat. Należałoby zadać pytanie: czy tradycyjne rozwiązania elementów magnetycznych są w stanie nadążyć i zaadresować potrzeby systemów opartych na półprzewodnikach szerokopasmowych? Odpowiedź stanowi wyzwanie dla ekspertów. Nowe generacje elementów magnetycznych muszą spełnić szereg wymagań wyróżniających je spośród komponentów dla tradycyjnych zastosowań.
Szybkość przełączania
Szybkość zmian napięcia dv/dt nie jest nowym zagadnieniem, jednak półprzewodniki szerokopasmowe pozwalają na wielokrotnie szybsze przełączanie niż ich odpowiedniki bazujące na krzemie. Szybkość zmian napięcia jest wyzwaniem dla elementów magnetycznych, zwłaszcza sprzężonych transformatorów sygnałowych oraz układów zasilania obwodów bramkowych. Aplikacje takie wymagają zdecydowanie wyższej odporności na wyładowania niezupełne niż tradycyjne rozwiązania bazujące na krzemie. Jednym z rozwiązań wyprzedzających potrzeby systemów opartych na SiC i GaN są transformatory bramkowe GDT (rys. 1). Konstrukcja tych transformatorów charakteryzuje się wysoką odpornością na wyładowania niezupełne oraz symetrią napięć wyjściowych, pozwalającą na eliminację dodatkowych układów stabilizujących napięcie wyjściowe.
Mniejszy komponent = wyższa sprawność
Wysoka częstotliwość pracy elementów magnetycznych jest wyzwaniem dla tradycyjnych metod projektowania. Wysokie częstotliwości pozwalają na redukcję indukcyjności, która jest bezpośrednio związana z wielkością elementu magnetycznego. Straty mocy mogą skutecznie zredukować faktyczną możliwość skalowania komponentu. Stanowi to istotną barierę dla wykorzystania potencjału półprzewodników, a w trakcie projektowania należy zwrócić szczególną uwagę na zjawiska dynamiczne. Przykładem dławików do zastosowań wysokoczęstotliwościowych jest rodzina dławików high performance (rys. 2), która jest zoptymalizowana pod względem rozkładu pola magnetycznego przy jednoczesnym ograniczeniu pojemności pasożytniczych.
Eliminacja zakłóceń
Przekształcanie energii z wysoką częstotliwością pozwala na zmniejszenie rozmiaru całego przekształtnika energoelektronicznego. Kompaktowa konstrukcja niesie za sobą wyzwanie w postaci dużej ilości generowanych zaburzeń elektromagnetycznych, będących wynikiem oscylacji pasożytniczych. Redukcja nadmiernej emisji elektromagnetycznej w paśmie zaburzeń przewodzonych 150 kHz–30 MHz odbywa się poprzez zespół filtrów o charakterystyce RLC. Istotną funkcję pełni tu element magnetyczny, którego charakterystykę impedancji można kształtować poprzez dobór rdzenia oraz uzwojenia. Charakterystyka filtra powinna odpowiadać wymaganiom definiowanym przez emisję filtrowanego przekształtnika. Przykładowa charakterystyka wymagań wraz z trajektorią wartości składowych zespolonych impedancji została przedstawiona na rysunku 3. Budowa elementu magnetycznego oraz odpowiedni dobór materiałów pozwala na kształtowanie charakterystyki, jak zostało pokazane na rysunku 4.
Efektem jest konstrukcja, która może zostać znacząco zredukowana przy zachowaniu optimum projektowego (tabela 1).
Konstrukcja i materiał dopasowane do aplikacji
Materiały ferrytowe mają szczególnie korzystne charakterystyki częstotliwościowe spośród ogólnie dostępnych materiałów magnetycznych, jednakże i one podlegają zjawiskom dynamicznym, które pogarszają ich parametry przy wysokich częstotliwościach. Głównymi czynnikami wpływającymi na charakterystykę są prądy wirowe oraz zjawisko rezonansu rozmiaru, które ma charakter falowy. Dlatego wysokoczęstotliwościowe elementy magnetyczne wymagają indywidualnej ścieżki projektowej, która pozwala na pełne wykorzystanie właściwości materiałów magnetycznych.
Przykładem elementu magnetycznego bazującego na rdzeniu ferrytowym, który może skutecznie konkurować w aplikacjach kojarzonych z materiałami nanokrystalicznymi, jest projekt dławika skompensowanego prądowo (rys. 5), który wyróżnia się stabilną impedancją oraz kompaktowymi rozmiarami.
Podsumowanie
Elementy magnetyczne już dziś są w stanie spełnić potrzeby systemów opartych na półprzewodnikach szerokopasmowych. Optymalne rozwiązania wymagają indywidualnego podejścia popartego gruntowną wiedzą i doświadczeniem w zakresie zjawisk występujących przy wysokich częstotliwościach. Rozwiązania konstrukcyjne stanowią istotny krok w rozwoju elementów magnetycznych poprzez minimalizację niepożądanych zjawisk wysokoczęstotliwościowych.
Marek Ryłko, SMA Magnetics
SMA Magnetics Sp. z o.o.
32-085 Modlniczka, Komandosów 3/1
inquiry@sma-magnetics.com
www.sma-magnetics.com
tel. 12 346 77 22
