การคำนวณหม้อแปลงเฟอร์ไรต์เป็นกระบวนการที่วิศวกรประเมินคุณสมบัติของขดลวดต่างๆและขนาดแกนของหม้อแปลงโดยใช้เฟอร์ไรต์เป็นวัสดุหลัก สิ่งนี้ช่วยให้พวกเขาสร้างหม้อแปลงที่เหมาะสมที่สุดสำหรับแอปพลิเคชันที่กำหนด

โพสต์นี้นำเสนอคำอธิบายโดยละเอียดเกี่ยวกับวิธีการคำนวณและออกแบบหม้อแปลงแกนเฟอร์ไรต์ที่กำหนดเอง เนื้อหาเข้าใจง่ายและมีประโยชน์มากสำหรับวิศวกรที่ทำงานในสาขานี้ อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์กำลัง และการผลิตอินเวอร์เตอร์ SMPS

คำนวณหม้อแปลงเฟอร์ไรต์สำหรับอินเวอร์เตอร์และ SMPS

เหตุใดจึงใช้ Ferrite Core ในตัวแปลงความถี่สูง

คุณอาจสงสัยอยู่บ่อยครั้งว่าเหตุผลเบื้องหลังการใช้แกนเฟอร์ไรต์ในอุปกรณ์จ่ายไฟโหมดสวิตช์ที่ทันสมัยทั้งหมดหรือตัวแปลง SMPS ใช่แล้วเพื่อให้ได้ประสิทธิภาพและความกะทัดรัดที่สูงขึ้นเมื่อเทียบกับพาวเวอร์ซัพพลายแกนเหล็ก แต่ก็น่าสนใจที่จะทราบว่าแกนเฟอร์ไรต์ช่วยให้เราได้รับประสิทธิภาพและความกะทัดรัดในระดับสูงนี้ได้อย่างไร?

เป็นเพราะค่ะ หม้อแปลงแกนเหล็ก, วัสดุเหล็กมีความสามารถในการซึมผ่านของแม่เหล็กต่ำกว่าวัสดุเฟอร์ไรต์มาก ในทางตรงกันข้ามแกนเฟอร์ไรต์มีความสามารถในการซึมผ่านของแม่เหล็กสูงมาก

ความหมายเมื่ออยู่ภายใต้สนามแม่เหล็กวัสดุเฟอร์ไรต์สามารถทำให้เกิดการดึงดูดในระดับสูงได้ดีกว่าวัสดุแม่เหล็กรูปแบบอื่น ๆ ทั้งหมด

ความสามารถในการซึมผ่านของแม่เหล็กที่สูงขึ้นหมายถึงปริมาณกระแสวนที่ลดลงและการสูญเสียการสลับที่ลดลง โดยปกติวัสดุแม่เหล็กจะมีแนวโน้มที่จะสร้างกระแสไหลวนเพื่อตอบสนองต่อความถี่แม่เหล็กที่เพิ่มขึ้น

เมื่อความถี่เพิ่มขึ้นกระแสไหลวนก็เพิ่มขึ้นทำให้วัสดุร้อนขึ้นและความต้านทานของขดลวดเพิ่มขึ้นซึ่งนำไปสู่การสูญเสียการเปลี่ยนต่อไป

แกนเฟอร์ไรต์เนื่องจากความสามารถในการซึมผ่านของแม่เหล็กสูงจึงสามารถทำงานได้อย่างมีประสิทธิภาพมากขึ้นด้วยความถี่ที่สูงขึ้นเนื่องจากกระแสไหลวนลดลงและลดการสูญเสียในการสลับ

ตอนนี้คุณอาจคิดว่าทำไมไม่ใช้ความถี่ที่ต่ำกว่าเพราะจะช่วยลดกระแสน้ำวนได้ในทางกลับกัน? อย่างไรก็ตามดูเหมือนว่าถูกต้องอย่างไรก็ตามความถี่ที่ต่ำกว่าจะหมายถึงการเพิ่มจำนวนรอบของหม้อแปลงเดียวกัน

เนื่องจากความถี่ที่สูงขึ้นทำให้จำนวนรอบลดลงตามสัดส่วนส่งผลให้หม้อแปลงมีขนาดเล็กน้ำหนักเบาและราคาถูกกว่า นี่คือเหตุผลที่ SMPS ใช้ความถี่สูง

โทโพโลยีอินเวอร์เตอร์

ในอินเวอร์เตอร์โหมดสวิตช์โดยปกติโทโพโลยีสองประเภทจะออก: push-pull และ สะพานเต็ม . แรงดึงใช้การแตะตรงกลางสำหรับขดลวดปฐมภูมิในขณะที่สะพานแบบเต็มประกอบด้วยขดลวดเดียวสำหรับทั้งหลักและรอง

ที่จริงแล้วโทโพโลยีทั้งสองเป็นแบบผลักดึงในธรรมชาติ ในทั้งสองรูปแบบขดลวดจะถูกนำไปใช้กับการสลับกระแสสลับไปข้างหน้าอย่างต่อเนื่องโดย MOSFETs โดยการสั่นที่ความถี่สูงที่กำหนดโดยเลียนแบบการกระทำแบบกด - ดึง

ความแตกต่างพื้นฐานเพียงอย่างเดียวระหว่างทั้งสองคือด้านหลักของหม้อแปลงประปาตรงกลางมีจำนวนรอบมากกว่าหม้อแปลงแบบเต็มสะพาน 2 เท่า

วิธีการคำนวณ Ferrite Core Inverter Transformer

การคำนวณหม้อแปลงแกนเฟอร์ไรต์นั้นค่อนข้างง่ายหากคุณมีพารามิเตอร์ที่ระบุทั้งหมดอยู่ในมือ

เพื่อความง่ายเราจะพยายามแก้สูตรด้วยตัวอย่างการตั้งค่าสมมติว่าสำหรับหม้อแปลง 250 วัตต์

แหล่งพลังงานจะเป็นแบตเตอรี่ 12 V ความถี่ในการเปลี่ยนหม้อแปลงจะอยู่ที่ 50 kHz ซึ่งเป็นตัวเลขทั่วไปในอินเวอร์เตอร์ SMPS ส่วนใหญ่ เราจะถือว่าเอาต์พุตเป็น 310 V ซึ่งโดยปกติเป็นค่าสูงสุดของ 220V RMS

ที่นี่ 310 V จะได้รับการแก้ไขโดยการฟื้นตัวอย่างรวดเร็ว วงจรเรียงกระแสสะพาน และตัวกรอง LC เราเลือกแกนกลางเป็น ETD39

อย่างที่เราทราบกันดีว่าเมื่อก แบตเตอรี่ 12 V ใช้แรงดันไฟฟ้าไม่คงที่ เมื่อชาร์จเต็มค่าจะอยู่ที่ประมาณ 13 V ซึ่งจะลดลงเรื่อย ๆ เนื่องจากโหลดอินเวอร์เตอร์ใช้พลังงานจนในที่สุดแบตเตอรี่จะคายประจุจนถึงขีด จำกัด ต่ำสุดซึ่งโดยทั่วไปคือ 10.5 V ดังนั้นสำหรับการคำนวณของเราเราจะพิจารณา 10.5 V เป็นค่าอุปทานสำหรับ V _{ใน (นาที)}.

เทิร์นหลัก

สูตรมาตรฐานสำหรับการคำนวณจำนวนรอบหลักมีดังต่อไปนี้:

น _{(ครั้งแรก)}= V _{ใน (น.)}x 10⁸/ 4 x ฉ x ข _{สูงสุด}x ถึง _ค

“กำลังไฟฟ้า 3 เฟสเทียบกับกำลังไฟฟ้าเฟสเดียว ”

ที่นี่ น _{(ครั้งแรก)}หมายถึงหมายเลขเทิร์นหลัก เนื่องจากเราได้เลือกโทโพโลยีแบบกดดึงตรงกลางในตัวอย่างของเราผลลัพธ์ที่ได้จะเป็นครึ่งหนึ่งของจำนวนเทิร์นทั้งหมดที่ต้องการ

ไวน์ _{(นามสกุล)}= แรงดันไฟฟ้าขาเข้าเฉลี่ย เนื่องจากแรงดันแบตเตอรี่เฉลี่ยของเราคือ 12V ลองดู ไวน์ _{(นามสกุล)}= 12.
ฉ = 50 kHz หรือ 50,000 Hz เป็นความถี่ในการเปลี่ยนที่ต้องการตามที่เราเลือก
ข _{สูงสุด}= ความหนาแน่นของฟลักซ์สูงสุดใน Gauss ในตัวอย่างนี้เราจะถือว่า ข _{สูงสุด}อยู่ในช่วง 1300G ถึง 2000G นี่คือค่ามาตรฐานแกนหม้อแปลงที่ใช้เฟอร์ไรต์ส่วนใหญ่ ในตัวอย่างนี้เรามาดูกันที่ 1500G ดังนั้นเราจึงมี ข _{สูงสุด}= 1500 ค่าที่สูงกว่าของ ข _{สูงสุด}ไม่แนะนำเนื่องจากอาจส่งผลให้หม้อแปลงถึงจุดอิ่มตัว ในทางกลับกันค่าที่ต่ำกว่าของ ข _{สูงสุด}อาจส่งผลให้แกนกลางถูกใช้งานน้อยเกินไป
ถึง_ค= พื้นที่หน้าตัดที่มีประสิทธิภาพหน่วยเป็นซม^สอง. ข้อมูลนี้สามารถรวบรวมได้ จากเอกสารข้อมูลของแกนเฟอร์ไรต์ . คุณอาจพบ A_คถูกนำเสนอเป็นก_คือ. สำหรับหมายเลขหลักที่เลือก ETD39 พื้นที่หน้าตัดที่มีประสิทธิภาพซึ่งอยู่ในแผ่นข้อมูลคือ 125 มม^สอง. นั่นเท่ากับ 1.25 ซม^สอง. ดังนั้นเราจึงมี_ค= 1.25 สำหรับ ETD39

ตัวเลขข้างต้นให้ค่าสำหรับพารามิเตอร์ทั้งหมดที่จำเป็นสำหรับการคำนวณรอบหลักของหม้อแปลงอินเวอร์เตอร์ SMPS ของเรา ดังนั้นการแทนที่ค่าตามลำดับในสูตรข้างต้นเราจะได้รับ:

น _{(ครั้งแรก)}= V _{ใน (น.)}x 10⁸/ 4 x ฉ x ข _{สูงสุด}x ถึง _ค

น _{(ครั้งแรก)}= 12 x 10⁸/ 4 x 50000 x 1500 x 1.2

น _{(ครั้งแรก)}= 3.2

เนื่องจาก 3.2 เป็นค่าเศษส่วนและสามารถนำไปใช้ได้ยากในทางปฏิบัติเราจะปัดเศษเป็น 3 รอบ อย่างไรก็ตามก่อนที่จะสรุปค่านี้เราต้องตรวจสอบว่ามีค่าหรือไม่ ข _{สูงสุด}ยังคงเข้ากันได้และอยู่ในช่วงที่ยอมรับได้สำหรับค่าปัดเศษใหม่นี้ 3

เนื่องจากการลดจำนวนรอบจะทำให้สัดส่วนเพิ่มขึ้น ข _{สูงสุด}ดังนั้นจึงจำเป็นต้องตรวจสอบว่าเพิ่มขึ้นหรือไม่ ข _{สูงสุด}ยังอยู่ในช่วงที่ยอมรับได้สำหรับ 3 เทิร์นหลักของเรา

การตรวจสอบเคาน์เตอร์ ข _{สูงสุด}โดยการแทนที่ค่าที่มีอยู่ต่อไปนี้เราจะได้รับ:
ไวน์ _{(นามสกุล)}= 12, ฉ = 50000, น _ที่= 3, ถึง _ค= 1.25

ข _{สูงสุด}= V _{ใน (น.)}x 10⁸/ 4 x ฉ x น _{(ครั้งแรก)}x ถึง _ค

ข _{สูงสุด}= 12 x 10⁸/ 4 x 50000 x 3 x 1.25

ข _{สูงสุด}= 1600

อย่างที่สามารถเห็นได้ใหม่ ข _{สูงสุด}คุ้มค่าสำหรับ น _(ที่)= 3 เทิร์นดูดีและอยู่ในช่วงที่ยอมรับได้ นอกจากนี้ยังบอกเป็นนัยว่าหากเมื่อใดก็ตามที่คุณรู้สึกว่าต้องการปรับเปลี่ยนจำนวน น _{(ครั้งแรก)}เปลี่ยนคุณต้องแน่ใจว่าสอดคล้องกับใหม่ที่เกี่ยวข้อง ข _{สูงสุด}มูลค่า.

ในทางตรงกันข้ามอาจเป็นไปได้ที่จะกำหนดไฟล์ ข _{สูงสุด}สำหรับจำนวนรอบหลักที่ต้องการจากนั้นปรับจำนวนรอบให้เป็นค่านี้โดยปรับเปลี่ยนตัวแปรอื่น ๆ ในสูตรให้เหมาะสม

ผลัดรอง

ตอนนี้เรารู้วิธีคำนวณด้านหลักของหม้อแปลงอินเวอร์เตอร์เฟอร์ไรต์ SMPS แล้วถึงเวลาดูอีกด้านหนึ่งนั่นคือด้านรองของหม้อแปลง

เนื่องจากค่าสูงสุดต้องเป็น 310 V สำหรับแบตเตอรี่สำรองเราจึงต้องการให้ค่าคงที่สำหรับช่วงแรงดันไฟฟ้าของแบตเตอรี่ทั้งหมดเริ่มตั้งแต่ 13 V ถึง 10.5 V

ไม่ต้องสงสัยเลยว่าเราจะต้องจ้าง a ระบบตอบรับ สำหรับการรักษาระดับแรงดันไฟฟ้าขาออกให้คงที่สำหรับการรับมือกับแรงดันไฟฟ้าของแบตเตอรี่ต่ำหรือการเปลี่ยนแปลงของกระแสโหลดที่เพิ่มขึ้น

แต่สำหรับสิ่งนี้จะต้องมีระยะขอบบนหรือพื้นที่ส่วนหัวเพื่ออำนวยความสะดวกในการควบคุมอัตโนมัตินี้ ระยะขอบ +20 V ดูดีเพียงพอดังนั้นเราจึงเลือกแรงดันไฟฟ้าสูงสุดที่เอาต์พุตสูงสุดเป็น 310 + 20 = 330 V.

นอกจากนี้ยังหมายความว่าหม้อแปลงต้องได้รับการออกแบบให้เอาต์พุต 310 V ที่แรงดันแบตเตอรี่ต่ำสุด 10.5

สำหรับการควบคุมแบบป้อนกลับโดยปกติเราจะใช้วงจร PWM แบบปรับเองได้ซึ่งจะขยายความกว้างของพัลส์ระหว่างแบตเตอรี่ต่ำหรือโหลดสูงและแคบลงตามสัดส่วนในช่วงที่ไม่มีโหลดหรือสภาวะแบตเตอรี่ที่เหมาะสม

ซึ่งหมายความว่าที่ สภาวะแบตเตอรี่ต่ำ PWM จะต้องปรับเป็นรอบการทำงานสูงสุดโดยอัตโนมัติเพื่อรักษาเอาต์พุต 310 V ที่กำหนดไว้ PWM สูงสุดนี้สามารถสันนิษฐานได้ว่าเป็น 98% ของรอบการทำงานทั้งหมด

เหลือช่องว่าง 2% สำหรับเวลาตาย เวลาตายคือช่องว่างของแรงดันไฟฟ้าเป็นศูนย์ระหว่างความถี่ครึ่งรอบแต่ละความถี่ในระหว่างที่มอสเฟตหรืออุปกรณ์ไฟฟ้าเฉพาะยังคงปิดอยู่อย่างสมบูรณ์ สิ่งนี้รับประกันความปลอดภัยและป้องกันการยิงผ่าน MOSFET ในช่วงการเปลี่ยนแปลงของรอบการดึงแบบกด

ดังนั้นแหล่งจ่ายไฟเข้าจะต่ำสุดเมื่อแรงดันแบตเตอรี่ถึงระดับต่ำสุดนั่นคือเมื่อ V _ใน= V _{ใน (นาที)}= 10.5 V. สิ่งนี้จะแจ้งให้รอบการทำงานอยู่ที่สูงสุด 98%

ข้อมูลข้างต้นสามารถใช้ในการคำนวณแรงดันไฟฟ้าเฉลี่ย (DC RMS) ที่จำเป็นสำหรับด้านหลักของหม้อแปลงเพื่อสร้าง 310 V ที่ด้านรองเมื่อแบตเตอรี่อยู่ที่ 10.5 V ขั้นต่ำสำหรับสิ่งนี้เราจะคูณ 98% ด้วย 10.5 ตาม แสดงด้านล่าง:

0.98 x 10.5 V = 10.29 V นี่คือระดับแรงดันไฟฟ้าที่หม้อแปลงหลักของเราควรจะมี

ตอนนี้เราทราบแรงดันไฟฟ้าทุติยภูมิสูงสุดซึ่งก็คือ 330 V และเรายังรู้แรงดันไฟฟ้าปฐมภูมิซึ่งเท่ากับ 10.29 V ซึ่งทำให้เราได้อัตราส่วนของทั้งสองด้านเป็น: 330: 10.29 = 32.1

เนื่องจากอัตราส่วนของการจัดอันดับแรงดันไฟฟ้าคือ 32.1 อัตราส่วนการเลี้ยวจึงควรอยู่ในรูปแบบเดียวกันด้วย

ความหมาย x: 3 = 32.1 โดยที่ x = เทิร์นรอง 3 = เทิร์นหลัก

การแก้ปัญหานี้เราสามารถรับจำนวนรอบรองได้อย่างรวดเร็ว

ดังนั้นเทิร์นรองคือ = 96.3

รูปที่ 96.3 คือจำนวนรอบรองที่เราต้องการสำหรับหม้อแปลงเฟอร์ไรต์อินเวอร์เตอร์ที่เรากำลังออกแบบ ตามที่ระบุไว้ก่อนหน้านี้เนื่องจากเวลเศษส่วนเป็นเรื่องยากที่จะนำไปใช้ได้จริงเราจึงปัดเศษเป็น 96 รอบ

นี่เป็นการสรุปการคำนวณของเราและฉันหวังว่าผู้อ่านทุกคนในที่นี้จะต้องตระหนักถึงวิธีการคำนวณหม้อแปลงเฟอร์ไรต์สำหรับวงจรอินเวอร์เตอร์ SMPS เฉพาะ

การคำนวณขดลวดเสริม

ขดลวดเสริมคือขดลวดเสริมที่ผู้ใช้อาจต้องการสำหรับการใช้งานภายนอกบางอย่าง

สมมติว่าพร้อมกับ 330 V ที่ตัวรองคุณต้องมีขดลวดอีกอันเพื่อรับ 33 V สำหรับหลอด LED ก่อนอื่นเราคำนวณ รอง: เสริม อัตราการหมุนของขดลวดทุติยภูมิ 310 V สูตรคือ:

น_ถึง= V_{วินาที}/ (V_{ไปที่}+ V_ง)

น_ถึง= รอง: อัตราส่วนเสริม, V._{วินาที}= แรงดันไฟฟ้าที่ได้รับการแก้ไขทุติยภูมิ V_{ไปที่}= แรงดันไฟฟ้าเสริม V_ง= Diode forward drop value สำหรับ rectifier diode เนื่องจากเราต้องการไดโอดความเร็วสูงที่นี่เราจะใช้วงจรเรียงกระแส Schottky กับ V_ง= 0.5V

การแก้ปัญหาทำให้เรา:

น_ถึง= 310 / (33 + 0.5) = 9.25 ขอปัดเศษเป็น 9

ตอนนี้เรามาหาจำนวนรอบที่จำเป็นสำหรับการคดเคี้ยวเสริมเราได้สิ่งนี้โดยใช้สูตร:

น_{ไปที่}= N_{วินาที}/ น_ถึง

โดยที่ N_{ไปที่}= ผลัดเสริม N_{วินาที}= ผลัดรอง N_ถึง= อัตราส่วนเสริม

จากผลลัพธ์ก่อนหน้านี้เรามี N_{วินาที}= 96 และ N_ถึง= 9 แทนที่สิ่งเหล่านี้ในสูตรด้านบนที่เราได้รับ:

น_{ไปที่}= 96/9 = 10.66 การปัดเศษทำให้เราได้ 11 เทิร์น ดังนั้นในการรับ 33 V เราจะต้อง 11 เทิร์นที่ด้านรอง

ด้วยวิธีนี้คุณสามารถกำหนดขนาดขดลวดเสริมตามความต้องการของคุณเอง