174401, Новгородская область
г. Боровичи, ул. А.Невского, 10

Эквивалентная схема замещения дросселя на нанокристаллическом сердечнике с большой магнитной проницаемостью

Авторы статьи: В.Ф. Дмитриков, Д.В. Шушпанов, Э.А. Фоченков

Внимание: материал готовится к публикации!

 

Аннотация

По измеренным частотным характеристикам сопротивления дросселя на основе тороидального сердечника, навитого из тонкой (18 мкм) нанокристаллической ленты, с разным количеством витков обмотки была построена эквивалентная схема замещения в широком диапазоне частот (0 Гц – 500 МГц). Данная схема замещения была построена с учетом физических процессов, протекающих в дросселе.

 

Введение

Любая современная радиоэлектронная аппаратура (РЭА) не обходится без реактивных элементов. Одними из важных и наиболее сложных (в расчете и производстве) реактивных элементов являются дроссели. Они являются частью сглаживающего фильтра и фильтра радиопомех (ФРП) в современных импульсных источниках электропитания. Поэтому при проектировании РЭА разработчикам необходимо знать частотные характеристики импедансов (комплексных сопротивлений) дросселей, а также их точные высокочастотные эквивалентные электрические структурно-параметрические схемы замещения (поведенческие модели) в широком диапазоне частот до 100 МГц и выше, хорошо адаптируемые к современным вычислительным программам схемотехнического моделирования.

Современное развитие измерительной техники позволило измерять комплексное сопротивление дросселя в широкой области частот (больше 10 МГц). Но данные измерения комплексного сопротивления дросселя стали производить сравнительно недавно [2, 3]. Измерение частотных характеристик комплексного сопротивления реального дросселя в широком диапазоне частот (до 500 МГц) [4 – 7] позволило увидеть, что реальный дроссель в широкой области частот представляет собой сложное устройство, и использование «старых» НЧ схем замещения не всегда корректно при проектировании РЭА.

В [1] была построена схема замещения дросселя с тороидальным ферритовым сердечником, т.к. именно этот материал наиболее часто используется в силовой электронике. Данная схема замещения была построена с учетом физических эффектов (влияние сопротивления провода, влияние материала сердечника, взаимное влияние провода и материала сердечника), т.е. была сделана попытка объяснить, почему частотные характеристики (модуль и фаза) комплексного сопротивления так ведут себя в широкой полосе частот (до 500 МГц). Она отличается от схемы замещения, предложенной в [2, 3], тем, что: является более высокочастотной и при её расчете рассматривалась фаза комплексного сопротивления дросселя, что позволило лучше объяснить физические процессы, протекающие в дросселе

В данной статье рассматривается построение схемы замещения дросселя на основе тороидального сердечника, навитого из тонкой (18 мкм) нанокристаллической ленты. Подобные магнитные материалы имеют принципиальные отличия от традиционных ферритов, пермаллоев, магнитодиэлектриков.

Аморфные сплавы производятся по технологии сверхбыстрого охлаждения расплава со скоростью охлаждения более миллиона градусов Цельсия в секунду. За счет высокой скорости охлаждения в металле не успевает сформироваться кристаллическая решётка, и он застывает в виде ленты с аморфной внутренней структурой, характерной стеклу и жидкостям. Аморфная структура сплава обеспечивает хорошую подвижность магнитных доменов, не связанных кристаллической решеткой, что определяет отличные магнитомягкие свойства.

Структура аморфных сплавов имеет ближний порядок, т.е. состоит из упорядоченных микрогруппировок атомов. Другим представителем нового класса метастабильных быстро охлаждённых сплавов и активным соперником аморфных сплавов являются нанокристаллические сплавы. «Материнской» основой нанокристаллического сплава является исходный аморфный сплав определенного состава (Fe-Cu-Nb-Si-B). Методом получения наноструктуры является прецизионный отжиг – регулируемая кристаллизация из исходного аморфного состояния. Структура нанокристаллического сплава представляет собой двухфазную систему, одной из фаз которой являются нанокристаллы, а другой – остаточная аморфная матрица. Свойства наносплава зависят от состава, размера и количества нанокристаллов, а также их соотношения с аморфной фазой. По своим свойствам нанокристаллический сплав превосходит аморфный сплав на основе кобальта при меньшей цене. Имея высокую индукцию насыщения (1,2 Тл против 0,6 Тл), высокую температуру Кюри (560°С против 235°С), обеспечивая высокую рабочую температуру (180°С против 100°С), а также хорошую температурную стабильность в широком диапазоне рабочих температур от 60С до +155ºС (изменение проницаемости не более 15%), новый нанокристаллический материал на основе железа представляет большой интерес для различных применений. Одним из самых массовых применений этих материалов являются синфазные дроссели, широко используемые в фильтрах радиопомех и импульсных источниках питания различного назначения. В данном применении высокая проницаемость материала позволяет резко сократить длину провода, собственные характеристики которого на высоких частотах имеют важное значение, что будет показано в данной статье.

В [2, 3] была предложена схема замещения для подобного нанокристаллического дросселя, но она, как и в случае с ферритовым сердечником, имеет те же недостатки: не является достаточно высокочастотной (до 100 МГц) и при её расчете не рассматривалась фаза комплексного сопротивления дросселя. Кроме того, в схеме замещения дросселя, используемой в [2, 3], используется длинная линия, параметры которой неясно как выбирать, и предложенную схему замещения достаточно сложно модернизировать для создания схемы замещения для двух- или трехобмоточного дросселя или трансформатора – приходится с нуля создавать новую схему замещения [8].

В данной статье производится построение схемы замещения дросселя с учетом физических эффектов (влияние сопротивления провода, влияние материала сердечника, взаимное влияние провода и материала сердечника), т.е. делается попытка объяснить, почему частотные характеристики (модуль и фаза) комплексного сопротивления так ведут себя в широкой полосе частот (порядка 1 ГГц).

 

Выводы

В работе предложена электрическая структурно-параметрическая схема замещения дросселя, использующего нанокристаллический кольцевой сердечник MSFN-25S-TH. Её частотные характеристики получились достаточно близкими с измеренными частотными характеристиками сопротивления дросселя в широкой полосе частот (от 0 до 500 МГц). Это позволяет использовать данную схему замещения дросселя для корректного проектирования высокочастотных фильтров радиопомех.

Показано принципиальное отличие работы нанокристаллического сердечника от ферритового в применении к ВЧ фильтрам. Оно заключается в отсутствии характерного для ферритов резонанса на частотах 0,5 – 2 МГц, и работе на «поглощение ВЧ помехи» в отличие от характерного для ферритов отражения помехи, которое связано со сменой индуктивного характера ферритового дросселя на емкостной и может создавать проблемы в работе импульсного преобразователя напряжения.

Показано, что для построения схемы замещения (структуры и параметров) измерения только модуля сопротивления дросселя недостаточно, необходимо измерять также фазу комплексного сопротивления дросселя.

Показана возможность определения индуктивности провода, используя аналитические формулы. Показана не состоятельность использования понятия межвитковой емкости для определения собственной емкости дросселя. Показано, что емкость провода практически соответствует емкости дросселя.

Предложено разделить в схеме замещения дросселя влияние провода и влияние сердечника на комплексное сопротивление дросселя. Это позволяет: использовать данную схему замещения при любом количестве витков обмотки, любом проводе обмотки, любой формы и типа сердечника; найти комплексную магнитную проницаемость материала сердечника из схемы замещения дросселя, полученной из измеренного комплексного сопротивления дросселя; отдельно рассмотреть влияние провода и сердечника на комплексное сопротивление дросселя, что позволило лучше понять физику процессов, протекающих в дросселе. Кроме того, такое разделение позволит использовать данную схему замещения для дросселя, использующего различные сердечники, не обладающие собственной резонансной частотой (нанокристаллические и аморфные сплавы с различной проницаемостью, мо-пермаллой и другие магнитодиэлектрики). С небольшими изменениями (учет межвитковой связи, индуктивности рассеивания и т.д.) данную схему замещения можно скорректировать для двух-, трехобмоточного дросселя, трансформатора.

Показана не состоятельность использования длинной линии в схеме замещения дросселя. Были предложены объяснения собственной емкости провода и дросселя, которая создает резонансы в экспериментально измеренных комплексных сопротивлениях провода и дросселя.

 

Список литературы

1. 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. т. 24. №4. С. 25 - 45.

2. Cuellar C. HF Characterization and Modeling of Magnetic Materials for the Passive Components Used in EMI Filters / PhD Doctoral, Electrical Engineering, University of Lille 1, Lille – France, 2013. 2010 c. URL: https://pepite-depot.univ-lille.fr/LIBRE/EDSPI/2013/50376-2013-Cuellar.pdf

3. Cuellar C., Idir N., Benabou A. High Frequency Behavioral Ring Core Inductor Model // IEEE Transactions on Power Electronics, Volume: 31, Issue: 5, May 2016. С. 3763 - 3772.

4. Дмитриков В.Ф., Фрид Л.Е., Кушнерев Д.Н., Чмутин Д.С. Синтез эквивалентных частотных схем замещения дросселя // Практическая силовая электроника, 2017. №2. Вып. 66. С. 5 - 11.

5. Dmitrikov V.F., Frid L.E., Belyaev A.E., Petrochenko A.Y., Zaytseva Z.V. Synthesis of Equivalent Circuits for Chokes and Capacitors in a Wide Range of Frequencies Taking into Account Dynamic Processes in Dielectric and Magnetic Materials // 20th International Conference of Young Specialists on Micro/Nanotechnologies and Electron Devices EDM-2019. Novosibirsk State Technical University, IEEE Russia Siberia Section. 2019. С. 532-540.

6. Дмитриков В.Ф., Исаев В.М., Куневич А.В. Разработка поведенческих моделей конденсаторов и дросселей с учетом частотных свойств диэлектрической и магнитной проницаемости диэлектриков и магнетиков // Наноиндустрия. 2020. Т. 13. № S4 (99). С. 372-373.

7. Дмитриков В.Ф., Петроченко А.Ю., Фрид Л.Е., Беляев А.Е., Зайцева З.В. Разработка высокочастотных электрических схем замещения конденсаторов и дросселей с учетом частотных свойств диэлектрической и магнитной проницаемости диэлектриков и магнетиков // Физика волновых процессов и радиотехнические системы. 2020. Т. 23. № 2. С. 55-69.

8. Kotny J.-L., Margueron X., and Idir N. High-Frequency Model of the Coupled Inductors Used in EMI Filters // IEEE Transactions on Power Electronics, Volume: 27, No. 6, June 2012. С. 2805–2812.

 

 

Консультация по услугам

Менеджеры компании с радостью ответят на ваши вопросы и произведут расчет стоимости услуг и подготовят индивидуальное коммерческое предложение.

Наши партнёры