Использование порошковых сердечников при высоких температурах.

Анализ тепловых режимов является основной частью разработки мощных электронных приборов. Компоненты могут нагреваться от внешних источников или потерь энергии в них самих. Очень часто, в целях оптимизации стоимости, размеров и производительности катушки индуктивности и трансформаторы рассчитывают для работы при условии существенно повышенных температур. Для разработчика очень важно знать поведение порошковых сердечников при повышенных температурах. Знание этого необходимо для выбора наилучшего материала для каждого применения и для уверенности в том, что прибор будет нормально функционировать при максимальной рабочей температуре.

ЗАО «Полимагнит» предлагает порошковые сердечники производства «Arnold group» (США), изготовленные из MPP (Мо пермаллой), Hi-Flux (50% никель, 50% железо) и Super-MSS (сендаст). Все три материала обладают отличной стабильностью и надежностью при высоких температурах. Зависимость индуктивности от изменения температуры, из-за распределенного воздушного зазора в порошковых сердечниках, относительно слабая. Вследствие того, что температура Кюри сплавов, используемых в производстве порошковых сердечников, высокая, изменениями в параметрах насыщения для типовых рабочих температур можно пренебречь. Кроме того, порошковые сердечники не восприимчивы к термическим ударам. MPP (Мо пермаллой), Hi-Flux (50% никель, 50% железо) и Super-MSS (сендаст) рассчитаны на работу в непрерывном режиме при температуре до 200^оС.

MPP (Мо пермаллой), Hi-Flux (50% никель, 50% железо) и Super-MSS (сендаст) изготавливаются прессованием с неорганическим изолятором, при этом не используется никаких связующих материалов. По этой причине они не подвержены эффекту старения, даже когда непрерывно работают при высоких температурах.

Разработчики должны знать об изменении свойств ферритовых сердечников от температуры, а также то, что ферритовые сердечники подвержены термическому удару.

Для выбора самого лучшего материала сердечника необходимо учитывать множество факторов. Тепловые характеристики являются одним из важнейших аспектов. Разработчику необходимо хорошо знать о преимуществах и недостатках каждого материала.

Максимальная рабочая температура для всех трех материалов 200^оС. Ограничение накладывается эпоксидным покрытием. В большинстве цепей немало других компонентов откажут при более низких температурах, поэтому материал сердечника редко когда оказывается ограничивающим фактором.

MPP (Мо пермаллой), Hi-Flux (50% никель, 50% железо) и Super-MSS (сендаст) не подвержены эффекту старения, даже при постоянной эксплуатации при повышенных температурах. Материалы, из которых изготавливаются порошковые сердечники, не содержат органических связующих, поэтому не подвержены явлению термического старения, как, например, порошковое железо. (В целом, основным преимуществом MPP (Мо пермаллой), Hi-Flux (50% никель, 50% железо) и Super-MSS (сендаст) является то, что потери в них значительно меньше, чем в порошковом железе. Они также более стабильны по отношению к изменениям температуры, частоты и уровня подмагничивания.)

При высоких температурах магнитные свойства порошковых сердечников изменяются на очень малую величину. Малые изменения проницаемости, отклика на подмагничивание постоянным током и потерь в сердечнике обратимы. При помещении материала в условия с комнатной температурой магнитные свойства возвращаются к исходным, вне зависимости от количества циклов.

Зависимость проницаемости от температуры.

Изменение проницаемости от изменения температуры у порошковых сердечников относительно мало. В основном это обусловлено распределенным зазором, а также стабильностью используемых сплавов. На Рис 1. показано типовое изменение проницаемости от температуры.

Рис. 1. Изменение проницаемости от температуры для порошковых сердечников.

Изменения предсказуемые, с высокой точностью повторяемости. Несмотря на то, что изменения проницаемости от температуры для используемых в производстве порошковых сердечников сплавов велико, эффективная проницаемость материала резко стабилизируется при наличии зазора.

Проницаемость в зазоре, само собой разумеется, равна единице вне зависимости от температуры. Следовательно, порошковые сердечники с меньшей проницаемостью, обладающие большим эффективным зазором, демонстрируют лучшую температурную зависимость.

Зависимость проницаемости от подмагничивания постоянным током.

Порошковые сердечники проявляют пологую насыщаемость. Из-за распределенного микроскопического зазора в материале порошковые сердечники не сразу достигают плотности потока насыщения (Bmax). Проницаемость уменьшается постепенно и предсказуемо с ростом уровня намагничивания.

Характеристики насыщения изменяются всего на несколько процентов даже в широком диапазоне температур. На Рис. 2 приведена зависимость проницаемости от подмагничивания постоянным током. Снижение плотности потока насыщения при увеличении температуры отнюдь не так сильно как для ферритов. Температура Кюри значительно выше, поэтому рабочая температура электроники значительно ниже уровней, при которых Bsat начинает существенно уменьшаться.

Термический удар.

В отличие от ферритов, порошковые сердечники невосприимчивы к термическому удару. Они запросто проходят наиболее жесткие военные и аэрокосмические испытания электронных компонентов на тепловой удар. Одним из возможных способов (хотя и редким) разрушения тороидального порошкового сердечника под действием температуры является такая плотная намотка обмотки, что расширение меди под действием температуры приведет к напряжениям большим, чем сердечник может выдержать.

Рис. 2. Зависимость проницаемости от подмагничивания постоянным током

Рабочая температура.

Как указывалось выше MPP (Мо пермаллой), Hi-Flux (50% никель, 50% железо) и Super-MSS (сендаст) рассчитаны на работу в непрерывном режиме при температуре до 200оС - максимальная температура, которая соответствует практически всем силовым применениям. Фактором, ограничивающим температуру 200^оС, является эпоксидное покрытие, а не сам материал. На самом деле, после прессования порошковые сердечники для снятия внутренних напряжений подвергаются отжигу в течение нескольких часов при температуре выше 500оС. После отжига на сердечники наносится эпоксидное покрытие для диэлектрической защиты и улучшения механических свойств. Очевидно, что температура 200^оС не производит на порошковые сердечники разрушающего действия, даже при непрерывном воздействии.

Потери в сердечнике и рост температуры.

Чем больше переменный или пульсирующий ток, протекающий по обмотке сердечника, тем больше будут потери в сердечнике. Постоянный ток не оказывает влияние на потери в сердечнике, только на потери в меди. Графики потерь порошковых сердечников не сильно зависят от подмагничивания постоянным током, так как петля гистерезиса значительно сглажена из-за распределенного зазора.

Как и следовало ожидать, потери проявляются в виде тепла, что приводит к повышению температуры. Задача разработчика - выбрать оптимальный порошковый сердечник для заданного применения с учетом потерь. При равенстве прочих показателей, МРР (Мо пермаллой) обладает наименьшими потерями, затем идут Super-MSS (сендаст), Hi-Flux и порошковое железо. В Arnold “Magnetic Powder Cores” каталоге приведены графики потерь в сердечнике и уравнения для этих графиков. Потери приведены в зависимости от частоты и плотности потока для различных проницаемостей каждого материала - MPP (Мо пермаллой), Hi-Flux (50% никель, 50% железо) и Super-MSS (сендаст). Потери практически не зависят от температуры (чего нельзя сказать о ферритах).