Нанокристаллические материалы в синфазных дросселях

Автор: Эдуард ФОЧЕНКОВ

Аннотация: В настоящей статье описываются физические свойства витых тороидальных магнитопроводов серии MSFN из нанокристаллической ленты АМАГ 200С и синфазных дросселей ДС2, ДС3 на их основе, выпускаемых российским предприятием ПАО «МСТАТОР», в сравнении с лучшими импортными ферритами. Предлагаются рекомендации по импортозамещению.

Почему не феррит?

Часто говорят, что новые аморфные и нанокристаллические материалы вытесняют и скоро полностью заменят феррит. Это совсем не так.

Феррит имеет ряд неоспоримых преимуществ, которые надолго гарантируют ему широкую нишу на рынке сбыта:

• низкая цена;
• разнообразие вариантов формы магнитопровода — тор, Ш-образный, броневой, низкопрофильные печатные трансформаторы и т.д.;
• большое разнообразие марок феррита,позволяющее сделать оптимальный выбор под разные задачи;
• жесткость и устойчивость к механическим воздействиям;
• развитое информационное и программное обеспечение, доступная методика расчета.

В той части РЭА, где отсутствуют жесткие требования к снижению массогабаритных показателей и помех, повышению КПД и надежности, улучшению функциональных характеристик, расширению частотного и температурного диапазона и т.д., в настоящее время применяют и еще долго будут применять феррит.

Тем не менее современные аморфные и нанокристаллические материалы имеют ряд уникальных свойств, которые в принципе не доступны ферритам:

• есть материалы с очень высокой магнитной проницаемостью (до миллиона), которая на два порядка больше, чем у ферритов;
• есть материалы с низкой проницаемостью (около 200) и линейной петлей гистерезиса (ПГ);
• есть материалы с высокой индукцией насыщения, которая больше, чем у феррита, в 3–4 раза (1,2; 1,5 Тл и выше);
• оптимальная форма ПГ (прямоугольная, плоская линейная, классическая округлая — как у феррита и др.). Не меняя материал, можно получать ПГ разной формы, оптимизированные под конкретную задачу, путем изменения режима термомагнитной обработки (отжига);
• потери ниже, чем у ферритов;
• отрицательный температурный коэффициент потерь, обеспечивающий стабилизацию температурного режима, что исключает критический разогрев трансформаторов и дросселей;
• высокая температура Кюри (до 600 ºС), что позволяет работать в расширенном диапазоне температур –60…300 ºС.

Эти уникальные свойства в некоторых применениях не имеют альтернативы и дают совершенно новый качественный уровень аппаратуры. Именно эти критичные применения и обеспечивают непрерывно растущий рынок сбыта новых материалов.

Ассортимент на российском рынке

ПАО «МСТАТОР» выпускает 23 наименования аморфных и нанокристаллических лент под разные технические задачи. На основе этих лент в настоящее время выпускаются 14 серий магнитопроводов, оптимизированных под определенное применение [1].

Наиболее востребованные магнитопроводы можно разделить на три основные группы:

• магнитопроводы для импульсных источников питания (ИИП), в том числе фильтров ЭМС (серии MSFN, MSTN, MST, MSSA, MSSN, MSK, MSB, MSC, MSC-NG, MSCN-TH);
• магнитопроводы для трансформаторов тока (серия MSFN, MST);
• магнитопроводы для аудиотехники (серия MSTAN).

Рассмотрим первую группу, которую предлагает предприятие «МСТАТОР» для импульсных источников питания (рис. 1).

Это:

• магнитопроводы для синфазных дросселей (1);
• магнитопроводы для дифференциальных дросселей (2, 7, 3);
• магнитопроводы для силовых трансформаторов (4);
• магнитопроводы для дросселей магнитных усилителей (5);
• помехоподавляющие магнитопроводы (6).

АМАГ 200С в синфазных дросселях

Одна из самых востребованных серий магнитопроводов — это серия MSFN для синфазных дросселей на основе нанокристаллической ленты АМАГ 200С. Подобные дроссели широко применяются в качественных фильтрах радиопомех.

Второе массовое применение серии MSFN — в трансформаторах тока, где востребована высокая начальная проницаемость и температурная стабильность.

На сегодняшний день подавляющее большинство производителей радиоэлектронной аппаратуры (РЭА) отказывается от классических трансформаторных источников питания и использует импульсные источники питания (ИИП), снижая тем самым габариты, вес и цену аппаратуры. Но ИИП создают высокочастотные помехи! Часть из них попадает по проводам питания в сеть, и она становится передающей антенной радиопомех, а часть излучается собственными проводниками и компонентами ИИП. Это создает проблемы электромагнитной совместимости (ЭМС) устройств, питающихся от общей электросети. В некоторых чувствительных к помехам устройствах возникают сбои, или они вообще теряют работоспособность [2].

Существуют нормы на величину создаваемых помех. Это очень большая проблема и высокая ответственность. В некоторых странах существует даже уголовная ответственность за нарушение нормативов излучаемых помех. Ведущие мировые фирмы-производители магнитных материалов, магнитопроводов и электромагнитных компонентов Vacuumschmelze, Magnetec, Wurth, Hitachi и др. предлагают для помехоподавляющих фильтров синфазные дроссели на основе сердечника из нанокристаллического материала [3].

"Что это дает?"
"Есть ли смысл менять привычный феррит?"

Отвечая на поставленные вопросы, поговорим о применении серии магнитопроводов MSFN в синфазных дросселях и приведем сравнение с одним из лучших ферритов, используемых в подобных дросселях ведущими европейскими производителями.

Серия MSFN — это тороидальные магнитопроводы, навитые из тонкой (16÷18 мкм) нанокристаллической ленты АМАГ 200С в пластмассовом контейнере. Контейнер защищает сердечник от механического воздействия при намотке толстым проводом и обеспечивает хорошую изоляцию обмоток. Отжиг оптимизирован для получения высокой начальной магнитной проницаемости. Индукция насыщения: 1,16 Тл.

Сравнение материалов на практике

Сравним два близких по размерам магнитопровода.

1. Кольцо из феррита ЭМС с покрытием эмалью, магнитной проницаемостью около 5000 и размерами 42,5–25,5–13,1 мм (D–d–h).

2. Магнитопровод MSFN-37S-TH в пластмассовом контейнере размерами 39,8–20,3–12,7 мм. Размеры сердечника без контейнера:

37–23–10 мм. Коэффициент заполнения: около 0,72 (учитывает воздушные зазоры между витками тонкой ленты).

На рис. 2 представлена типичная зависимость μ' и μ" от частоты магнитопроводов серии MSFN из ленты АМАГ 200С. Действительная (индуктивная) начальная магнитная проницаемость магнитопроводов MSFN, в отличие от феррита (рис. 3), значительно падает с ростом частоты (рис. 2):

• μ' = 100 000 на частоте 50 Гц;
• μ' = 85 000 на частоте 10 кГц;
• μ' = 26 500 на частоте 100 кГц.

Однако важна не проницаемость материала сама по себе, а ИМПЕДАНС. Высокий импеданс дросселя в сочетании с низким волновым сопротивлением линии и низким импедансом конденсаторов обеспечивает хорошее подавление помех. Импеданс — это вектор из двух составляющих: индуктивной (действительная часть) и потерь (мнимая часть). Импеданс пропорционален произведению проницаемости на частоту. Действительная часть проницаемости μ' падает медленнее, чем растет частота. К тому же, на высоких частотах быстро увеличивается вклад мнимой части магнитной проницаемости μ", определяемой потерями. В результате модуль импеданса c увеличением частоты непрерывно растет до частот в несколько сотен МГц (рис. 4).

На низких частотах импеданс определяется, в основном, величиной μ', а на высоких — μ".

На рис. 3 представлена зависимость проницаемости от частоты феррита ЭМС с проницаемостью 5000. Заметим, что до частоты 100 кГц полная проницаемость μ стабильна и практически не зависит от частоты: она определяется действительной (индуктивной) составляющей проницаемости μ'. Однако далее с возрастанием частоты проницаемость сначала увеличивается, а затем резко падает. И уже в точке 1,3 МГц действительная часть проницаемости μ' становится отрицательной. Таким образом, индуктивный характер импеданса дросселя меняется на емкостной, что хорошо видно на зависимости импеданса и фазы от частоты (рис. 4). Это явление определяется резонансом магнитного материала, характерным для феррита [4]. Причем, чем выше проницаемость феррита, тем ниже частота резонанса. Обычно она находится в диапазоне частот 0,5–2 МГц. Следовательно, не всегда оправдано применение ферритов с очень высокой проницаемостью, так как при этом снижается диапазон частот дросселя. К тому же, чем выше проницаемость феррита, тем хуже температурная стабильность.

Проницаемость феррита в диапазоне рабочих температур может изменяться в несколько раз. Это подробнее мы обсудим ниже.

Рис. 2. Зависимость проницаемости от частоты для материала АМАГ 200С

Рис. 3. Зависимость проницаемости от частоты для феррита (µ= 5000)

Заметим, что у нанокристаллического одновиткового дросселя не существует резонанса, фаза всегда положительна до частоты около 900 МГц (рис. 4). Резонанс на частоте 900 МГц возникает не за счет свойств магнитного материала, а благодаря свойствам провода [5].

Рис. 4. Зависимость модуля и фазы импеданса от частоты для одновиткового дросселя на основе АМАГ 200С и феррита с проницаемостью 5000

Мы использовали один виток провода длиной около 7 см. Поскольку он применялся для обоих сердечников, из рис. 3 видно, что выше 900 кГц форма графика модуля импеданса практически одинакова. В этой части частотного диапазона свойства дросселя в большей степени определяются свойствами провода, а не характеристиками магнитного материала. Подробнее см. [5, 6].

Исходя из названных причин, можно сделать вывод, что на описываемом ферритовом кольце невозможно изготовить синфазный дроссель с резонансной частотой выше 1,3 МГц. Это ограничение определено свойствами магнитного материала. В отличие от феррита, нанокристаллический сердечник не имеет резонанса [5], и резонанс синфазного дросселя определяется свойствами обмотки, в первую очередь, длиной и емкостью провода [5, 6]. При небольшом количестве витков можно изготовить дроссель с частотой резонанса в несколько десятков МГц.

Для сравнения свойств дросселей нанесем обмотки на используемые сердечники так, чтобы индуктивности были примерно одинаковы на частоте 100 кГц. На рис. 5–6 показаны частотная зависимость фазы импеданса и затухания в линии 50 Ом. Измерения сделаны векторным анализатором S5045 в диапазоне частот 10 кГц…100 МГц.

Дроссель на феррите имеет обмотку в 17 витков провода диаметром 0,85 мм, индуктивность 1,62 мГн (100 кГц) и частоту резонанса около 1 МГц. Дроссель на АМАГ 200С имеет 10 витков, индуктивность 1,67 мГн (100 кГц), частоту резонанса около 8 МГц.

Заметим, что при близких размерах и практически одинаковой индуктивности кривые затухания дросселей различаются (рис. 5). Это определяется свойствами магнитного материала.

Ферритовый дроссель имеет хорошее затухание в узком частотном диапазоне 200 кГц…3 МГц на частотах близких к резонансной. Нанокристаллический дроссель обеспечивает хорошее затухание в очень широком частотном диапазоне. В нижней части диапазона это достигается за счет высокой начальной магнитной проницаемости μ' (около 100 000), а в верхней — за счет короткого провода, высокой мнимой части проницаемости μ" и отсутствия резонанса в магнитном материале.

Рассмотрим, к примеру, практическую задачу. Требуется для линии (50 Ом) изготовить дроссель с затуханием на уровне –30 дБ в широком диапазоне частот. Для этого мы увеличим индуктивность и сделаем два дросселя с индуктивностью 10 мГн на частоте 100 кГц.

У АМАГ 200С обмотка рядовая однослойная в 25 витков проводом диаметром 0,85 мм.

В случае использования феррита получается 41 виток того же провода, причем в один слой витки на половине кольца (синфазный дроссель имеет две или более обмоток) не помещаются, поэтому обмотка двухслойная. Двухслойная обмотка сама по себе увеличивает паразитные параметры и снижает существенно частоту резонанса дросселя относительно рядовой однослойной обмотки.

Следовательно, если разместить 41 виток одним слоем по всему кольцу, частота резонанса будет выше. В этом смысле нанокристаллические сердечники имеют дополнительное преимущество. За счет малого числа витков и рядовой однослойной намотки резонансная частота увеличивается. При этом, разумеется, снижаются и тепловые потери в обмотке.

Рис. 5. Зависимость затухания дросселей от частоты (линия 50 Ом)

Рис. 6. Зависимость фазы импеданса дросселей от частоты (линия 50 Ом)

Рис. 7. Зависимость затухания от частоты (линия 50 Ом)

Для ферритового дросселя (рис. 7) характерен резкий рост затухания в узком диапазоне частот вблизи резонансной (350 кГц). Для нанокристаллического дросселя резонансная частота в 4,6 раза выше (1,6 МГц), и хорошее подавление помех наблюдается в широком диапазоне частот. Так, диапазон частот феррита по уровню –30 дБ составляет 54 кГц…2,9 МГц (перекрытие по частоте в 54 раза). У нанокристаллического дросселя частотный диапазон по уровню –30 дБ равен 13,7 кГц…48 МГц (перекрытие по частоте 3504 раза). Таким образом, используя дроссель близкого размера из материала АМАГ 200С, мы расширили частотный диапазон в 65 раз.

Российский ГОСТ, нормирующий индустриальные радиопомехи, рассматривает полный частотный диапазон 9 кГц…1 ГГц, разбивая источники помех на классы в зависимости от диапазона. Для большинства оборудования верхняя граница диапазона ограничена значением 30 или 100 МГц, а нижняя — 9 или 150 кГц.

Нанокристаллические материалы создают уникальные возможности подавления радиопомех в очень широком диапазоне частот. Заметим, что при увеличении индуктивности дросселя в любом случае снижается резонансная частота и верхняя граница диапазона частот. По этой причине в экстремально широкой полосе частот используются двухзвенные фильтры (два дросселя с разной резонансной частотой).

Рис. 8. Изменение затухания ферритового дросселя с нагревом

В рабочем режиме синфазный дроссель нагревается за счет рабочего тока. Посмотрим, как изменяются характеристики при нагреве. Мы нагрели оба дросселя паяльным феном до 100 ºС. На рис. 8 показана зависимость затухания от частоты при комнатной температуре и при 100 ºС для феррита. На разных частотах изменения разные. На частоте 100 кГц и ниже затухание увеличилось за счет роста импеданса (изменение импеданса: около 26%), а в диапазоне близком к частоте резонанса затухание резко падает (в точке резонанса на частоте 360 кГц снижение импеданса в 3,1 раза, что дает снижение затухания на 9,8 дБ). На частотах выше 1 МГц практически нет изменений.

У дросселя на основе АМАГ 200С (рис. 9) на частоте 100 кГц затухание снижается на 1 дБ (импеданс изменяется примерно на 12%), в точке резонанса на частоте 1,6 МГц снижение составляет 0,6 дБ, а выше 2 МГц изменений практически нет. В рамках этого исследования мы не смотрели характеристики на отрицательных температурах, но автор приводит данные, полученные ранее на других дросселях с этими же материалами (рис. 10–11). При отрицательных температурах для феррита характерно резкое снижение импеданса и затухания в диапазоне ниже частоты резонанса. Эта частота возрастает, и резонанс становится более выраженным (рост максимума импеданса — в 2 раза). АМАГ 200С ведет себя стабильно и предсказуемо в широком диапазоне температур –60…125 ºС.

Рис. 9. Изменение затухания дросселя на основе АМАГ 200С с нагревом

Рис. 10. Частотные характеристики импеданса дросселя на феррите (µ = 5000) при различных температурах

Рис. 11.  Частотные характеристики импеданса дросселя на основе АМАГ 200С при различных температурах

При проектировании синфазных дросселей с нанокристаллическим сердечником взамен феррита возможны три стратегии.

1. Получение максимального преимущества в характеристиках при сохранении размеров дросселя. Резонансная частота возрастает в 5–8 раз.
2. Получение характеристик дросселя, близких к ферритовому дросселю при минимальных размерах и весе. Объем и вес дросселя сокращается в 3–5 раз.
3. Компромиссный вариант. Объем и вес дросселя сокращаются в 2–3 раза при характеристиках, значительно превосходящих характеристики ферритового дросселя. Резонансная частота возрастает в 3–5 раз.

Большинство мировых производителей, включая отечественного производителя ПАО «МСТАТОР», выбирают третий вариант, обеспечивающий при меньших размерах и сравнимой цене отличные характеристики синфазного дросселя.

На базе магнитопроводов серии MSFN ПАО «МСТАТОР» выпускает большую серию двух- и трехобмоточных синфазных дросселей ДС2 и ДС3 в горизонтальном и вертикальном исполнении [1].

На рис. 12–13 представлена продукция ПАО «МСТАТОР».

Выводы

Использование витых кольцевых магнитопроводов из тонкой нанокристаллической ленты в синфазных дросселях имеет целый ряд преимуществ относительно традиционных ферритовых сердечников.

К ним относятся:

1. Повышение резонансной частоты в 3–5 раз.
2. Улучшение затухания в фильтрах.
3. Многократное расширение частотного диапазона как в сторону нижних, так и в сторону верхних частот. Достижимо перекрытие по частоте до 10 000 раз (10 кГц…100 МГц). В некоторых случаях возможна замена двухзвенного фильтра на основе феррита однозвенным фильтром на базе нанокристаллического сердечника.
4. Снижение объема и веса дросселя в 2–3 раза.
5. Расширение температурного диапазона (–60÷155 ºС).
6. Кратное улучшение температурной стабильности импеданса и затухания дросселя, что дает сохранение полученных характеристик фильтра в широком температурном и частотном диапазонах.
7. Пластмассовый контейнер обеспечивает хорошую электрическую изоляцию обмоток и возможность нанесения обмотки толстым проводом.
8. Снижение активных потерь в обмотке за счет уменьшения количества витков и применения более толстого провода.
9. Импортозамещение. Отечественный производитель, обеспечивающий качество продукции на уровне мировых лидеров.

В заключение — ответы на ряд типичных вопросов заказчиков.

1. Почему «МСТАТОР» и другие производители рекомендуют использовать в синфазных дросселях именно нанокристаллические материалы, а не аморфные с высокой проницаемостью?

Действительно, ПАО «МСТАТОР» выпускает серию MSF на базе аморфной ленты АМАГ 170 на основе кобальта. Начальная магнитная проницаемость на относительно низких частотах (до 10 кГц) у этой серии очень высокая (120 000), что выше, чем у серии MSFN. Однако с ростом частоты проницаемость падает гораздо быстрее, чем у серии MSFN, что сужает частотный диапазон сверху. Кроме того, как и все аморфные материалы на основе кобальта, АМАГ 170 имеет невысокую температуру Кюри (200 ºС), что ограничивает диапазон частот до 100 ºС и значительно снижает температурную стабильность.

2. Чем отличаются магнитопроводы MSFN и синфазные дроссели ДС2, ДС3, производимые ПАО «МСТАТОР», от продукции других российских и китайских производителей, часто имеющей меньшую цену?

ПАО «МСТАТОР» много лет работало через своего южнокорейского акционера на зарубежный рынок, серийно поставляя магнитопроводы по спецификации, в которой указывались параметры, не уступающие продукции мировых лидеров. Это потребовало постоянного совершенствования технологии. В настоящее время «МСТАТОР» выпускает самую тонкую ленту в РФ (16–18 мкм) и применяет оптимизированную точную термомагнитную обработку, что обеспечивает более широкий частотный диапазон и минимальные потери.

Снижение толщины ленты с 22 мкм до 16–18 мкм обычно дает рост магнитной проницаемости на частоте 100 кГц на 50% и более.

3. Как правильно подобрать замену импортного дросселя на дроссель от ПАО «МСТАТОР»?

Сначала следует выяснить — импортный дроссель ферритовый или нанокристаллический. Дроссель подбирается по индуктивности и рабочему току. В наименовании нанокристаллического дросселя индуктивность указывается обычно на частоте 10 кГц, как и для ферритового. Если импортный дроссель нанокристаллический, необходимо подобрать замену с близкой индуктивностью на частоте 10 кГц и заданным рабочим током.

Для замены ферритового дросселя мы рекомендуем подбирать нанокристаллический аналог по индуктивности на частоте 100 кГц. Это значение указывается в этикетке и в ТУ. Это связано с тем, что индуктивность нанокристаллического дросселя падает с ростом частоты, а у ферритового сохраняется до частот близких к частоте резонанса[7].

Если возникают затруднения при подборе замены, предлагаем обратиться в отдел маркетинга ПАО «МСТАТОР» - market@mstator.ru.

Более детальную научную информацию по изложенной теме см. в списке литературы.

Литература

1. www.mstator.ru. Продукция / Синфазные дроссели/фильтры.
2. Дмитриков В.Ф., Шушпанов Д.В. Устойчивость и электромагнитная совместимость устройств и систем электропитания // М. Горячая линия–Телеком. 2019. 540 с.
3. Cuellar C., Idir N., Benabou A. High Frequency Behavioral Ring Core Inductor Model // IEEE Transactions on Power Electronics. 2016. Vol. 31. Issue 5 (May). С. 3763–3772.
4. Дмитриков В.Ф., Шушпанов Д.В. Эквивалентная схема замещения дросселя, намотанного на феррите, в широком диапазоне частот (0 Гц — 500 МГц) // Физика волновых процессов и радиотехнические системы. 2021. T. 24. №4. С. 25–45.
5. Дмитриков В.Ф., Шушпанов Д.В., Фоченков Э.А. Эквивалентная схема замещения дросселя на нанокристаллическом сердечнике с большой магнитной проницаемостью // Физика волновых процессов и радиотехнические системы. 2022. Т. 25. № 4. С. 100–121.
6. Дмитриков В.Ф., Шушпанов Д.В. К вопросу использования емкостносвязанных элементов для объяснения взаимного влияния электрических проводов // Радиотехника. 2024. Т. 88. №1. С. 15–30.
7. Смирнов Д.Е., Фоченков Э.А. Синфазные дроссели — тонкости подбора аналогов // ПРИБОРТЕХ ЭКСПО. №17 (август 2022). С. 32.

​ Скачать статью.pdf

Ресурс: Электронные компоненты №4 (стр. 60), 2024 год