¿Qué hacer con el inductor plano muy caliente?

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Que estoy haciendo:

Estoy diseñando un convertidor DCDC para generar ± 24v a partir de un suministro entrante de 18v - 36v. Para esto estoy usando la TI TPS54160 , y siguiendo el documento Crear una fuente de alimentación de riel dividido con un voltaje de entrada amplio .

TPS54160

Para ahorrar espacio, diseñé un transformador plano, usando un núcleo de transformador dividido. Puse 12 vueltas a cada lado del transformador, que de acuerdo con la hoja de datos del núcleo debería dar 244uH (12x12x1700nH).

Núcleo de transformador plano dividido Núcleo de transformador plano dividido

Adicional:

He estado usando una calculadora basada en Excel proporcionada por TI para calcular los valores correctos de los componentes. La calculadora es específicamente para diseñar esta topología de circuito con este IC.

El problema:

El problema es que a una frecuencia de conmutación de 500 kHz, el transformador se calienta mucho. Si reduzco la frecuencia de conmutación, puedo enfriarla un poco, pero si reduzco demasiado, el circuito ya no tiene suficiente corriente de accionamiento.

Mi pregunta:

¿Qué debo probar en la versión 2? ¿Ayudaría un núcleo de transformador físicamente más grande? ¿Debería intentar reducir el número de vueltas en el transformador? A 500kHz, calculo que solo necesito 65uH, por lo que ciertamente podría bajar a 8 vueltas.

Rocketmagnet
fuente
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¿Tiene alguna forma de medir la corriente de la bobina? Podrías estar saturando.
Daniel
Intentado en lugar de calcular cosas de medida? ¿Y qué se calienta, los devanados o el núcleo? ¿Las formas de onda se ven bien?
PlasmaHH
@PlasmaHH: no puedo decir si son los devanados o el núcleo, porque los devanados están completamente encerrados por el núcleo. Mi presentimiento es que es el núcleo, solo por la velocidad a la que se calienta.
Rocketmagnet
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@Daniel - Hmm, ¡acabo de medir la corriente de la bobina, y parece ser de unos 24A! (1.2v a través de una resistencia de detección 0.05R). Eso es mucho más alto de lo que debería ser.
Rocketmagnet
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¿Cómo se apilan tus devanados? (¿Cuántas capas están intercaladas, etc.?) ¿Mide la resistencia de CC de los devanados?
Adam Lawrence

Respuestas:

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El problema es que los núcleos que se utilizan no tienen espacio, por lo que el inductor se satura. Una topología con operación tipo Flyback almacena energía en el núcleo cuando el interruptor está encendido, moviendo el núcleo hacia arriba en la curva BH. Pero, para el ejemplo simple de conducción discontinua (DCM), cuando el interruptor se apaga y la corriente cae a cero, B no vuelve a cero sino a un punto residual elevado. Entonces, el utilizable es muy pequeño y el núcleo entra en saturación. La conducción continua (CCM) es aún peor en este sentido.ΔB

Agregar un espacio mueve el punto residual más cerca de cero, dando un utilizable . En el caso de una brecha, la inductancia estará determinada por la brecha, no tanto por el núcleo . Considere la inductancia de un inductor de núcleo vacío; con sección transversal del núcleo y longitud de separación y vueltas de bobinado :μ A c l g nΔBμAclgn

n 2 A c μ oLg =n2Acμolg

También se relaciona la corriente máxima de bobinado ( ) con el flujo de separación ( ): B maxImaxBmax

nImax =Bmaxlgμo

Al comenzar con un valor para , , e , es posible hacerse una idea de lo que necesitarían ser y para el inductor. Deje = 100 , = 0.2T, = 20LgBmaxAcImaxlgnLgμHBmaxAcmm2

lg = = ~Imax2LgμoAcBmax21Amp2100μHμo20mm20.2T20.16mm

y

n = = =imaxLgAcBmax1Amp100μH20mm20.2T25turns

Este análisis está bastante simplificado, dejando mucho fuera, pero da una idea de qué esperar. El diseño de este tipo de inductores se involucra mucho. Puede consultar " Diseño de transformador de inductor y flyback " como referencia.

gsills
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En mi respuesta, llegué a la conclusión de que la corriente de magnetización es de aproximadamente 73 mA (podría haber cometido un error, por supuesto) y esto no parece estar lo suficientemente cerca como para crear la saturación del núcleo dadas las dimensiones del núcleo.
Andy alias
@Andyaka, si esto fuera un transformador, estaría de acuerdo contigo. Pero es un inductor con polarización de CC, que restringe el B utilizable. A medida que suben los voltajes de salida y las corrientes de carga, el núcleo entrará en saturación. Esto suele ser un problema incluso con un DCM Flyback debido a la alta remanencia o nivel residual que queda en un núcleo sin huecos.
gsills
No todos los convertidores de retorno necesitan una brecha, muchos no y, como dije, la corriente magnética es de solo 74 mA, lo que da un MMF de 0.9 At. La longitud del núcleo es de aproximadamente 1,5 cm, por lo que el campo H es de aproximadamente 60 At / m. Mirando el material N97, apenas comienza a entrar en la región de saturación, pero dado que el TPS54160 puede activar su tiempo de "ENCENDIDO" a 130ns, realmente no puedo verlo entrar en saturación porque el sobrecalentamiento ocurre sin carga Y con carga moderada.
Andy alias
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Creo que está utilizando material N87, así que voy a hacer un cálculo rápido de las cosas. A 500 kHz, la corriente del inductor puede aumentar hasta cierto valor en 1 microsegundo (ciclo de trabajo de 50:50). Dices que tiene una inductancia de 244 uH, así que con 18V aplicada, espero que la corriente aumente a: -

18V x 1 us / 244 uH = 74mA: esta es la corriente de magnetización (almacena la energía que se libera en el próximo medio ciclo) pero suena muy, muy baja. La energía almacenada en el devanado principal tiene que transferirse a la salida y esta energía es de 0.66 uJ (todavía suena muy baja). Por lo tanto, la potencia que se puede transferir a una carga es 0.66 uJ x 500 kHz = 0.33 vatios.

Creo que necesita ver otros ejemplos en esa hoja de datos que vinculó. Veo uno que puede funcionar con voltajes de hasta 30 V y que funciona a 300 kHz con un inductor de 150 uH, así que creo que sus principales pérdidas son las pérdidas de cobre en los devanados, ¿cómo los fabricó?

También señalaré que el material N87 le dará pérdidas de aproximadamente 5 a 10% a 500 kHz, por lo que probablemente no sea la mejor opción.

Además de esto, asegúrese de que el devanado de salida produce un voltaje negativo cuando se aplica positivo al primario. En otras palabras, la fase de los devanados es fundamental para este tipo de circuito de retorno.

Mi razonamiento acerca de esta evaluación de modo discontinuo es que, aunque puede esperar correr en modo de conducción continua, puede obtener una idea razonable al verla en DCM e intentar determinar si DCM está en el estadio correcto.

Andy alias
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El orificio para la pata central del núcleo en la PCB se ve plateado en la figura. ¿Está plateado en la PCB real? Si es así, eso explica por qué podría tener grandes corrientes. Tienes un turno corto que se acopla a través del núcleo.

Dorai
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