ИЗМЕРЕНИЕ ВЫСОКОЧАСТОТНЫХ ПОТЕРЬ В МАГНИТНЫХ ОБМОТКАХ ПОНИЖАЮЩЕГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

DOI 10.36622/VSTU.2023.19.2.017 УДК621.3.083.5; 621.3.045.6

ИЗМЕРЕНИЕ ВЫСОКОЧАСТОТНЫХ ПОТЕРЬ В МАГНИТНЫХ ОБМОТКАХ ПОНИЖАЮЩЕГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ

А.В. Башкиров, Я.В. Скитский, Н.Ю. Веретенников Воронежский государственный технический университет, г. Воронеж, Россия

Аннотация: представлены этапы проведения эксперимента по определению потерь в обмотках магнитных компонентов импульсных источников питания. Данные потери обусловлены протеканием токов высокой частоты: эффектом близости и скин-эффектом. С этой целью производится расчет потерь, вызванных перемагничиванием в силовом дросселе преобразователя, а также измеряется мощность, рассеиваемая в результате статических и динамических потерь на основном транзисторе и транзисторе активного выпрямления понижающего преобразователя. С целью повышения точности проводимого эксперимента, а также сходимости итоговых результатов применяется несколько вариантов расчета потерь в магнитопроводе силового дроселя. Для этого используется несколько видов уравнения Штей-нметца, а именно - обобщенный и модифицированный. Второй вариант необходим, чтобы учесть отличие закона изменения вектора магнитной индукции от синусоидального. В ходе эксперимента были получены фактические значения рассеиваемой в тепло мощности для всех основных узлов силового контура понижающего преобразователя. Описанная в статье методика проведения эксперимента может быть использована для верификации и сравнения различных методов численного и аналитического моделирования тепловых потерь в обмотках моточных изделий, а также на силовых транзисторах и диодах схемы

Ключевые слова: высокочастотные потери, эффект близости, скин-эффект, потери в феррите, уравнение Штейнметца, потери на транзисторах, рассеиваемая мощность, измерение потерь в магнитном компоненте

Введение

В современных источниках питания одними из ключевых характеристик являются их КПД и массо-габаритные размеры. При этом, наиболее остро становится вопрос оптимизации потерь в силовых транзисторах и магнитном компоненте изделия. Зачастую, аналитические расчеты, также как и итоги моделирования дают лишь приблизительный результат различной степени точности. В связи с этим, становится актуальной задача измерения потерь в каждом конкретном узле силового каскада преобразователя. Потери в понижающем DC/DC преобразователе по месту их возникновения можно разделить на несколько частей [1]:

а) потери на обеспечение функционирования управляющей части:

• ШИМ-контроллер

• MOSFET-драйверы;

б) потери на транзисторах:

• статические

• динамические;

в) потери в магнитном компоненте:

• потери в обмотке;

• потери в сердечнике;

г) прочие потери:

© Башкиров А.В., Скитский Я.В., Веретенников Н.Ю., 2023

• потери в проводниках схемы;

• потери в конденсаторах.

Существует несколько подходов к решению задач, связанных с анализом потерь в магнитном компоненте. Посредством метода конечных элементов (МКЭ) возможно получить данные высокой точности, однако это требует дополнительных затрат, например, создание двухмерной или трехмерной модели, что затрудняет процесс оптимизации.

Помимо МКЭ применяется ряд аналитических методов, таких как метод Доуэла и его производные, но они не применимы для моточных изделий с чередующимися обмотками. Как наименее поддающиеся аналитическому расчету, наиболее интересными для измерения являются высокочастотные потери в обмотках магнитного компонента преобразователя [2, 3].

Для нахождения потерь в обмотке магнитного компонента, необходимо из всей мощности, рассеиваемой в изделии, вычесть все источники потерь, кроме искомого. Потери в емкостях входного и выходного фильтра, а также на проводниках схемы в данном эксперименте можно не учитывать, поскольку они являются пренебрежимо малыми по сравнению с остальными потерями и частично компенсируются методикой проведения эксперимента. Для того чтобы не учитывать потери на

обеспечение функционирования управляющей части, для формирования сигнала необходимо использовать внешний генератор, а питание драйверов силовых ключей осуществлять от внешнего источника.

Нахождение суммарных потерь

Для нахождения суммарных потерь была собрана экспериментальная установка (рис. 1), основанная на понижающем DC/DC преобразователе. Его схема изображена на рис. 2.

Тешювиюр

Рис. 1. Схема испытательной установки

PWM D1 1— И 1— VT

Се YYY

и II

Rh

Св ых

D2

VT

Рис. 2. Силовая часть испытательного стенда

В качестве основного транзистора (VT1), а так же транзистора синхронного выпрямления (VT2) применялись транзисторы n-типа IRFB4127PbF. С целью обеспечения необходимого режима работы ключей была использована микросхема LM5112 (D1, D2) и генератор сигналов специальной формы GW Instek MFG-72110. Прочие исходные параметры данного преобразователя представлены в табл. 1.

После запуска понижающего DC/DC преобразователя был произведен анализ его рабочего режима. Для этого были измерены осциллограммы напряжения сток-исток на основном транзисторе, и формы тока, протекающего через дроссель. Полученные формы сигнала представлены на рис. 3.

Таблица 1

Параметры преобразователя_

Параметр Значение Ед.

Входное напряжение 48 В

Выходное напряжение 24 В

Выходной ток 3 А

Выходная мощность 72 Вт

Частота преобразования 1 МГц

Рис. 3. Осциллограммы тока в дросселе (1) и напряжения сток-исток верхнего ключа (2)

После получения необходимых осциллограмм были произведены измерения для нахождения коэффициента полезного действия и определения суммарных потерь в преобразователе (табл. 2).

Таблица 2

КПД преобразователя _

Параметр Значение Ед.

Входное напряжение 48,04 В

Входной ток 1,5809 А

Выходное напряжение 24,04 В

Выходной ток 3,0146 А

КПД 95,42 %

Суммарные потери 3,475 Вт

Потери на транзисторах

Для измерения потерь в силовых транзисторах необходимо измерить и зафиксировать температуру обоих ключей в установившемся режиме. Полученные температуры для верхнего и нижнего транзистора представлены на рис. 4 (а и б, соответственно). Данные изображения получены путем проведения наблюде-

ния посредством тепловизора, закреплённого на штативе с целью минимизации искажений при проведении измерений

Для нахождения потерь на каждом из транзисторов необходимо найти мощность, при рассеивании которой его корпус будет нагреваться до той же температуры, что и в установившемся рабочем режиме при тех же условиях. Температура окружающей среды должна оставаться неизменной.

а) б)

Рис. 4. Значение температуры верхнего (а) и нижнего (б) транзистора в рабочем режиме

Для достижения этого результата затвор одного из транзисторов смещается в положительную область относительно своего истока на напряжение, необходимое для полного открытия канала. Через открытый канал транзистора пропускается постоянный ток до достижения тех же значений установившейся температуры на корпусе транзистора, что и при нормальной работе преобразователя (рис. 4). Так как прикладываемое к транзистору напряжение и протекающий через него постоянные, то можно легко посчитать рассеиваемую мощность. Если температура окружающей среды в течение эксперимента не изменялась, то эта мощность будет равна рассеиваемой на транзисторе мощности в рабочем режиме. Значения измеренной мощности для двух транзисторов представлены в табл. 3.

Таблица 3

С целью минимизации искажений результатов эксперимента, измерение падения напряжения на открытом канале полевого транзистора производилось при помощи дополнительных сигнальных проводников, закрепленных на выводах ключа, что в значительной степени повысило итоговый параметр сходимости.

Чтобы исключить влияние внешних факторов измерения проводились при фиксированной температуре окружающей среды, а так же с одинаковой скоростью потока воздуха, охлаждающего преобразователь. Значения температур на верхнем и нижнем транзисторе при снятии параметров, приведенных в табл. 1, представлены на рис. 5 (а и б, соответственно).

а) б)

Рис. 5. Значение температуры верхнего (а) и нижнего (б) транзистора при пропускании постоянного тока

Потери в магнитопроводе

Потери в магнитном компоненте преобразователя складываются из потерь в сердечнике и потерь в обмотке. Потери в сердечнике можно рассчитать, используя уравнение Штейнметца [4].

Ру = Ст • / • Втах • Су, (1)

где Ру — рассеиваемая мощность на единицу объема;

f — рабочая частота преобразования; Втах — максимальная индукция; х, у, Ст, СТ — эмпирические коэффициенты.

Коэффициенты уравнения х, у, Ст, СТ определяются для каждого материала отдельно и обычно предоставляются производителем. Для материала 3F36 коэффициенты представлены в табл. 4.

Рассеиваемая мощность

Компонент Т, °С и, мВ I, А Р, Вт

Верхний ключ 110 198,63 3,74 0,74

Нижний ключ 65,7 385,25 5,75 2,22

Таблица 4 Коэффициенты для материала_

Материал Коэффициенты

С 10-9 <_>m, iU X Y СТ, 10-6

3F36 224,928 2,61 2,4 9 863,06

Поскольку коэффициенты в уравнении (1) определяются для токов синусоидальной формы, то для нашего случая в чистом виде оно не применимо. Так как потери в сердечнике возникают вследствие изменения индукции магнитного поля В, то вместо Втах в формулу необходимо подставить ДВ/2. Постоянная составляющая магнитной индукции В не участвует в формировании потерь напрямую. С другой стороны, она определяет рабочую точку магнитного компонента, а следовательно, должна быть учтена при проведении эксперимента. Для повышения точности расчетов при проектировании дросселя был выбран линейный участок В#-характеристики сердечника [5].

Исходя из документации на применяемый сердечник, а также описанных выше условий, был произведен расчет потерь в феррите. Рас-счетные потери составили 292 мВт.

В качестве альтернативного метода расчета потерь в сердечнике магнитного компонента может быть использовано модифицированное уравнение Штейнметца (2).

Ру = ^т • /ед • Втах • ^Т

(2)

_ 2 Гт/йВ\2

Геч = 2]0 Ш dí

Данное уравнение позволяет находить потери при несинусоидальной форме изменения вектора магнитной индукции. Так как эмпирический параметр частоты заменяется физическим параметром скорости изменения индукции [6]. В литературе показано, что частота изменения поля f и скорость изменения индукции ^^могут быть сопоставлены между собой через нормализующую константу. С применением модифицированного уравнения Штейнметца расчетные потери в магнитопро-воде составили 208 мВт.

Заключение

Результатом данного эксперимента стало нахождение потерь в обмотках магнитного компонента понижающего преобразователя (табл. 5.) В таблице представлены результаты измерений потерь в транзисторах, а также рассеиваемая мощность в сердечнике и обмотке. Как итог - потери в обмотке реактора понижающего преобразователя в данном режиме работы составляют 0,254 Вт при использовании обобщенного уравнения Штейнметца и 0,3382 Вт при использовании модифицированного уравнения Штейнметца.

Таблица 5

Результаты эксперимента

Метод расчета потерь в сердечнике OSE MSE

Суммарные потери в преобразователе, Вт 3,475 3,475

Потери в ключах, Вт Верхний ключ 0,744 0,744

Нижний ключ 2,218 2,218

Потери в сердечнике, Вт 0,292 0,208

Потери в обмотке, Вт 0,2544 0,3382

Описанная в статье методика проведения эксперимента может быть использована для верификации и сравнения различных методов численного и аналитического моделирования потерь в обмотках моточных изделий.

Полученные результаты измерений могут быть использованы для оценки эффективности магнитного компонента, как отдельного узла силовой схемы.

Литература

1. Герасимов А.А., Кастров М.Ю. Электромагнитные компоненты преобразователей напряжения // Практическая силовая электроника. 2001. № 1. С. 28-32.

2. Матвеев К. Использование пакета Ansys для моделирования электромагнитных элементов импульсных преобразователей // Силовая электроника. 2004. № 2. С. 92.

3. Ridley R. Circuit modeling of winding loss for inductors and transformers. URL: https://www.psma.com/sites/default/files/uploads/fdes/Magn etics%20Workshop%202017/Ridley_Spice%20Models%20F or%20Conductor%20Losses.pdf

4. 3F36°Material°Specification.°URL: https://ferroxcu be.home.pl/prod/assets/3f36.pdf

5. Reinert J., Brockmeyer A., De Doncker R.W. Cal-

culation of losses in ferro- and ferrimagnetic materials based IEEE Transactions on. 37. 1055 - 1061. 10.1109/28.936396

on the modified Steinmetz equation. Industry Applications // 2001.

Поступила 13.03.2023; принята к публикации 17.04.2023

Информация об авторах

Башкиров Алексей Викторович - д-р техн. наук, заведующий кафедрой конструирования и производства радиоаппаратуры, Воронежский государственный технический университет (394006, Россия, г. Воронеж, ул. 20-летия Октября, 84), e-mail: fabi7@mail.ru, ORCID: http://orcid.org/0000-0003-0939-722X

Скитский Ярослав Витальевич - студент, Воронежский государственный технический университет (394006, Россия, г. Воронеж, ул. 20-летия Октября, д. 84), e-mail: nauchrab@mail.ru

Веретенников Николай Юрьевич - аспирант, Воронежский государственный технический университет (394006, Россия, г. Воронеж, ул. 20-летия Октября, д. 84), e-mail: Veretennikoff.nik@gmail.com, ORCID: https://orcid.org/0000-0001-6746-2371

MEASUREMENT OF HIGH-FREQUENCY LOSSES IN THE MAGNETIC WINDINGS

OF A BUCK CONVERTER

A.V. Bashkirov, Ya.V. Skitsky, N.Yu. Veretennikov

Voronezh State Technical University, Voronezh, Russia

Abstract: the stages of the experiment to determine the losses in the windings of the magnetic components of switching power supplies are presented. These losses are due to the flow of high-frequency currents: the proximity effect and the skin effect. For this purpose, the losses caused by magnetization reversal in the power inductor of the converter are calculated, as well as the power dissipated as a result of static and dynamic losses on the main transistor and the active rectification transistor of the buck converter is measured. In order to improve the accuracy of the experiment, as well as the convergence of the final results, several options for calculating losses in the magnetic circuit of the power inductor are used. For this, several types of the Steinmetz equation are used, namely, generalized and modified. The second option is necessary to take into account the difference between the law of change of the magnetic induction vector and the sinusoidal one. During the experiment, the actual values of the power dissipated into heat were obtained for all the main nodes of the power circuit of the step-down converter. The experimental technique described in the article can be used to verify and compare various methods of numerical and analytical modeling of heat losses in the windings of winding products, as well as on power transistors and circuit diodes

Key words: high frequency loss, proximity effect, skin effect, ferrite loss, Steinmetz's equation, transistor loss, power dissipation, loss measurement in magnetic components

References

1. Gerasimov A.A., Kastrov M.Yu. "Electromagnetic components of voltage converters", Practical power electronics (Prak-ticheskaya silovaya elektronika), 2001, no. 1, pp. 28-32.

2. Matveev K. "Using the Ansys package for modeling electromagnetic elements of pulse converters", Power electronics (Silovaya elektronika), 2004. no. 2, pp. 92.

3. Ridley R. "Circuit modeling of winding loss for inductors and transformers", available at: https://www.psma.com/sites/default/files/uploads/files/Magnetics%20Workshop%202017/Ridley_Spice%20Models%20For%20Con ductor%20Losses.pdf

4. Kazimierczuk M.K. "High-Frequency Magnetic Components", John Wiley & Sons Ltd, 2009, 508 p.

5. "3F36 Material Specification", available at: https://ferroxcube.home.pl/prod/assets/3f36.pdf

6. Reinert J., Brockmeyer A., De Doncker R.W. "Calculation of losses in ferro- and ferrimagnetic materials based on the modified Steinmetz equation. Industry Applications", IEEE Transactions on. 37. 1055 - 1061. 10.1109/28.936396, 2001.

Submitted 13.03.2023; revised 17.04.2023

Information about the authors

Aleksey V. Bashkirov, Dr. of Sc. (Technical), Head of the Department of Design and Production of Radio Equipment, Voronezh State Technical University (84 20-letiya Oktyabrya str., Voronezh 394006, Russia), e-mail: fabi7@mail.ru

Yaroslav V. Skitsky, Student, Voronezh State Technical University (84 20-letiya Oktyabrya str., Voronezh 394006, Russia), e-mail: nauchrab@mail.ru

Nikolay Yu. Veretennikov, Postgraduate student, Voronezh State Technical University (84 20-letiya Oktyabrya str., Voronezh 394006, Russia), e-mail: Veretennikoff.nik@gmail.com, ORCID: https://orcid.org/0000-0001 -6746-2371