Исследование предельных возможностей использования новых магнитных материалов в высокочастотных источниках вторичного электропитания

Одной из основных тенденций развития устройств вторичного электропитания является разработка преобразователей с повышенной частотой коммутации, обеспечивающей достижение хороших массогаба-ритпых и энергетических показателей. Однако, как известно, увеличение рабочих частот преобразования приводит к росту удельных потерь. Поэтому реальный выигрыш достигается только при оптимальном выборе режимов работы компонентов схем. Это особенно важно для магнитных компонентов, так как их доля в общих потерях, массе и габаритах высокочастотных устройств вторичного электропитания чаще всего является определяющей.

Для рабочих частот 20−50 кГц, широко используемых в преобразователях устройств вторичного электропитания, вопросы выбора материала сердечника, конструкции, режима работы достаточно хорошо изучены, существуют апробированные методы расчета, накоплен большой практический опыт. Для более высоких частот, которые активно осваиваются разработчиками, в связи со значительным изменением условий перемагничивания, требуется их совершенствование и доработка. Существенный прогресс в области улучшения энергетических показателей магнитных компонентов преобразователей с повышенной частотой коммутации может быть достигнут при применении новых аморфных магнитных материалов, которые обладают уникальным сочетанием хороших магнитных характеристик с низкими удельными потерями в широком диапазоне частот. Однако недостаточная изученность поведения этих материалов при высокочастотном перемапшчивании требуют проведения экспериментальных исследований с имитацией условий, свойственных МЭ высокочастотных преобразователей, проведения макетирования схем ИВЭП с использованием аморфных сердечников.

Важнейшим средством исследования работы преобразовательных устройств стало их компьютерное моделирование. В связи с этим актуальной задачей является создание и применение моделей МЭ, корректно отражающих динамические свойства материалов сердечников в условиях высокочастотного перемагничивания.

Целью данной работы является улучшения показателей магнитных элементов высокочастотных источников вторичного электропитания при применении в них сердечников из новых аморфных магнитных материалов.

Достижение цели исследования предполагает решение следующих задач:

— Анализ условий работы силовых МЭ высокочастотных устройств вторичного электропитания различных типов с учетом явлений, происходящих в сердечнике;

— Выбор, анализ и совершенствование моделей аморфных магнитных сердечников для моделирования работы высокочастотных ИВЭП средствами современных программных пакетов схемотехнического и математического моделирования.

— Разработка и практическое создание аппаратно-программного комплекса для исследования сердечников МЭ высокочастотных ИВЭП с возможностью измерения динамических петель перемагничивания в условиях, свойственных различным типам высокочастотных преобразователей, проведение экспериментальных исследований и обобщение их результатов.

— Практическое использование экспериментально полученных данных для определения эффективности применения новых магнитных материалов в силовых МЭ высокочастотных ИВЭП.

Методы проведенных исследований базируются на теории и практике построения ИВЭП, современных представлениях о процессах динамического перемагничивания ферромагнетиков, использовании методов численного решения систем дифференциальных уравнений, применении математического и компьютерного моделирования с использованием современных программных комплексов Рзрюе, МаЙгСаё, Ма1-ЬаЬ-81ти1шк, экспериментальном исследовании высокочастотных ИВЭП, а также образцов сердечников с помощью специально разработанной и изготовленной для этих целей аппаратуры.

Научная новизна результатов работы состоит в следующем:

— Обоснована возможность существенного улучшения массогабаритных и энергетических показателей высокочастотных ИВЭП при применении в силовых МЭ сердечников из новых аморфных магнитных материалов, выявлен диапазон их наиболее эффективного использования.

— На основании исследований образцов сердечников из аморфных материалов в условиях, характерных для МЭ высокочастотных ИВЭП в широком диапазоне частот и амплитуд перемагничивания, получены характеристики, имеющие решающее значение для определения параметров и оценки возможностей применения аморфных материалов в магнитных элементах высокочастотных преобразователей.

— Проведен анализ возможностей модели Джилса-Атертона для моделирования процессов динамического перемагничивания аморфных магнитных материалов при исследовании работы высокочастотных ИВЭП в широком диапазоне частот и индукции перемагничивания, впервые предложена модификация модели с целью учета частотных свойств аморфных магнетиков путем введения зависимости величины коэрцитивной силы от скорости изменения магнитного поля.

— Предложена Р8ргсе макромодель сердечника МЭ, использующая электрический эквивалент гистерезиса, имитирующая процессы динамического высокочастотного перемагничивания и энергетические потери в сердечнике, разработана термоэлектрическая модель сердечника, учитывающая особенности работы силовых МЭ высокочастотных ИВЭП.

— Предложен алгоритмический метод компенсации фазовой ошибки при определении динамических петель перемагничивания существенно повышающий точность измерений в области высоких частот.

— Разработана структура аппаратных средств и алгоритмы, позволяющие проводить измерение динамических петель перемагничивания сердечников с обеспечением условий, свойственных МЭ высокочастотных преобразователей, впервые предложен метод измерения частных циклов перемагничивания, характерных для большинства МЭ высокочастотных ИВЭП.

Практическая ценность работы определяется тем, что в ней:

— Рассмотрены особенности работы МЭ высокочастотных ИВЭП различных типов и с их учетом выработаны рекомендации по выбору магнитных материалов сердечников;

— Выработаны критерии отбора моделей сердечников МЭ для решения задач моделирования высокочастотных ИВЭП;

— Выработаны рекомендации по практическому использованию модели Джилса-Атертона для определения потерь в МЭ высокочастотных ИВЭП с аморфными сердечниками. Существенно расширен диапазон использования модели за счет ее модификации, осуществлена практическая реализация модифицированной модели в системе Ма&аЬ-ЭитШпк;

— На основании проведенного моделирования и экспериментальных исследований температурных режимов сердечников при высокочастотном перемагничивании выработаны рекомендации по выбору допустимых температур перегрева в связи с условиями перемагничивания и свойствами материала сердечника.

— Создан измерительный комплекс, позволяющий проводить исследования сердечников МЭ высокочастотных ИВЭП на частотах до 1.5 мГц при программируемой форме индукции, в том числе частных циклов.

— Проведены экспериментальные исследования динамических параметров аморфных сердечников систематизированы их результаты. Получены параметры и характеристики аморфных магнитных материалов, существенно дополняющие типовые справочные данные в области высокочастотного перемагничивания.

— Разработан и изготовлен макет ИВЭП с применением сердечников^ из аморфного материала и феррита, отмечено существенное улучшение массогабаритных показателей при переходе на аморфные материалы.

Материал диссертационной работы изложен следующим образом:

В первой главе рассматриваются структуры силовых модулей высокочастотных ИВЭП различных типов и режимы работы МЭ, приведена их классификация, выбраны параметры и характеристики сердечников наиболее существенно влияющие на массогабаритные и энергетические показатели ИВЭП. Выявлены факторы, определяющие предельные возможности применения различных магнитных материалов в МЭ высокочастотных ИВЭП, рассмотрены основные требования к магнитным материалам высокочастотной преобразовательной техники в связи с условиями перемагничивания и явлениями, происходящими в ферромагнетиках при высокочастотном перемагничивании. Проведен анализ различных методов исследования и моделирования сердечников МЭ высокочастотных ИВЭП, выработаны критерии отбора моделей.

Показано, что проведение моделирования и экспериментальных исследований требует разработки применения специального оборудования, которое способно воссоздать требуемые условия перемагничивания и необходимую точность измерений динамических петель перемагничивания.

Во второй главе рассмотрена структура модели Джилса-Атертона, проведен анализ ее возможностей в области динамического перемагничивания, намечены пути совершенствования модели. Уточнено математическое представление модели Джилса-Атертона и определение ее параметров для аморфных сердечников, приведены алгоритмы численного решения и сравнительный анализ их возможностей с учетом критичности к выбору шага интегрирования, точности и устойчивости. Предложен вариант модификации модели Джилса-Атертона с целью введения зависимости ширины петли перемагничивания от скорости изменения магнитного поля и практическая реализация средствами программы динамического моделирования ЗшшНпк, входящей в состав математической системы Ма&аЬ.

В третьей главе проведен анализ проведен возможностей создания макромоделей МЭ высокочастотных ИВЭП средствами современных пакетов схемотехнического проектирования, рассмотрены вопросы определения потерь и температурных режимов сердечников МЭ высокочастотных преобразователей на этапе моделирования.

В четвертой главе проведен анализ проблем, связанных с проведением измерений динамических петель перемагничивания в условиях, характерных для сердечников МЭ высокочастотных ИВЭП, приводится описание программно-аппаратного комплекса, разработанного для проведения таких исследований,.

В пятой главе приведены результаты экспериментального исследования возможностей улучшения показателей магнитных элементов высокочастотных источников вторичного электропитания при применении в них сердечников из новых аморфных магнитных материалов. Разработан и испытан малогабаритный источник питания, доказана эффективность применения с нем сердечника из аморфного материала. Разработка внедрена в НПО «Рубикон-Инновация». Для получения характеристик сердечников, определяющих диапазон их эффективного применения в высокочастотных ИВЭП были проведешь исследования и сравнительный анализ частотных и температурных зависимостей магнитных и энергетических параметров в широком динамическом диапазоне, исследовано влияние формы сигнала перемагничивания на энергетические потери в ферромагнитных материалах на высоких частотах.

В заключении сделаны основные выводы по результатам проведенной работы.

В приложении приведены программы моделей и примеры их практической реализации средствами пакетов схемотехнического и математического моделирования.

Основные положения, выносимые на защиту: -структуры разработанных моделей и макромоделей аморфных сердечников для моделирования высокочастотных ИВЭП, методики расчетов и примеры практической реализации;

— критерии отбора моделей для решения задач моделирования магнитных компонентов высокочастотных преобразователей;

— способ модификации модели Джилса-Атертона с целью учета частотных свойств аморфных магнетиков;

— термоэлектрическая модель сердечника, учитывающая особенности тепловых процессов в сердечнике при высокочастотном перемагничива-нии;

— оборудование и алгоритмы измерения динамических петель гистерезиса при высокочастотном перемагничивании сердечников МЭ ИВЭП и программируемой форме индукции;

— метод измерения частных циклов перемагничивания, характерных для однотактных высокочастотных ИВЭП;

— экспериментальные характеристики сердечников из аморфных магнитных материалов, полученные в широком динамическом, частотном и температурном диапазонах и результаты исследования опытного образца ИВЭП.

Результаты исследования могут быть сформулированы в виде следующих основных выводов.

1. Анализ работы силовых МЭ высокочастотных устройств вторичного электропитания различных типов должен проводиться с учетом явлений, происходящих в сердечнике при характерных условиях перемагничивания, так как они существенно влияют на параметры МЭ ИВЭП.

2. На основе анализа возможностей модели Джилса-Атертона выработаны рекомендации по ее практическому использованию для моделирования МЭ высокочастотных ИВЭП, диапазон использования модели существенно расширен за счет ее модификации.

3. Впервые представлена практическая реализация модифицированной модели Джилса-Атертона и МЭ ИВЭП на ее основе средствами математической системы МаЛаЬ — 8шш1тк.

4. Предложен вариант построения Рзрке макромодели сердечника МЭ, использующий электрический эквивалент гистерезиса, имитирующий процессы динамического высокочастотного перемагничивания и энергетические потери в сердечнике.

5. На основании проведенного моделирования и экспериментальных исследований температурных режимов сердечников МЭ высокочастотных ИВЭП рекомендации по выбору допустимых температур перегрева в связи с условиями перемагничивания и свойствами материала сердечника.

6. Предложен алгоритмический метод компенсации фазовой ошибки при измерении мгновенных значений токов и напряжении при определении динамических петель перемагничивания.

7. Впервые для цифрового осциллографического метода измерений петель динамического перемагничивания предложен и реализован алгоритм измерения частных циклов в высокочастотной области.

8. В результате исследований образцов сердечников из аморфных материалов при различной форме магнитной индукции в широком диапазоне частот, амплитуд перемагничивания и температур, получены характеристики, имеющие важное значение для определения параметров и анализа энергетических возможностей аморфных материалов при применении в высокочастотных ИВЭП.

9. Разработан и испытан высокочастотный ИВЭП с использованием аморфного сердечника, доказана эффективность его применения, достигнуто существенное улучшение массогабаритных показателей.

Ю.На основании сравнения результатов экспериментального исследования и моделирования ферритовых и аморфных сердечников обоснованы преимущества применения новых аморфных материалов в МЭ высокочастотных ИВЭП.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В диссертационной работе проведено исследование возможности улучшения массогабаритных и энергетических параметров МЭ высокочастотных ИВЭП при использовании сердечников из новых аморфных магнитных материалов, уделено большое внимание развитию средств моделирования и экспериментального исследования сердечников МЭ с учетом особенностей условий их работы в преобразовательных устройствах с высокой частотой коммутации.