¿Qué hacer con el inductor plano muy caliente?

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 .

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).

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.

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.$\Delta B$

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$\Delta B$$\mu$$A_c$$l_g$$n$

n 2 A c μ $L_g$ =$\frac{n^2 A_c \mu _o}{l_g}$

También se relaciona la corriente máxima de bobinado ( ) con el flujo de separación ( ): B $I_{\text{max}}$$B_{\text{max}}$

$n I_{\text{max}}$ =$\frac{B_{\max } l_g}{\mu _o}$

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, = 20$L_g$$B_{\text{max}}$$A_c$$I_{\text{max}}$$l_g$$n$$L_g$$\mu H$$B_{\text{max}}$$A_c$$mm^2$

$l_g$ = = ~$\frac{I_{\max }^2 L_g \mu _o}{A_c B_{\max }^2}$$\frac{1 Amp^2 100\mu H \mu _o}{20 mm^2 0.2T^2}$$0.16 mm$

y

$n$ = = =$\frac{i_{\max } L_g}{A_c B_{\max }}$$\frac{1Amp 100\mu H}{20 mm^2 0.2T}$$25 turns$

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.

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.

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.