Новый ферритовый материал Epcos N95

Потери в ферритовом сердечнике являются одним из ключевых факторов, влияющих на КПД силового преобразователя. В настоящее время, на российском рынке представлен ряд силовых материалов Epcos и TDK (N87, N97, PC47, N49, N41), имеющих отрицательную температурную зависимость потерь в рабочем диапазоне с минимумом при Т=60°С (N41), Т=100°С (N87, 97), Т=120°С (PC47). Основные электромагнитные характеристики основных силовых марок ферритов производства Epcos подробно рассмотрены в статье "Магнитомягкие материалы для современной силовой электроники" (Журнал «Электроника НТБ», 2008 г.).

Как известно, КПД трансформатора при полной нагрузке зависит от потерь в обмотке моточного изделия и ферритовом сердечнике. В силовых преобразователях, как правило, максимальный КПД обеспечивается при определенной температуре. Потери в обмотках зависят от площади сечения, по которому протекает ток, и, соответственно, от нагрузки, при уменьшении которой величина потерь значительно снижается. Кроме того, при уменьшении нагрузки происходит убывание температуры и удельного сопротивления обмотки.

К основным требованиям, предъявляемым к современным силовым магнитомягким материалам, можно отнести уменьшение потерь в рабочей точке при полной нагрузке, а также повышение КПД силового оборудования при варьировании рабочих температур в широком диапазоне при неполной нагрузке.

В конце 2014 года фирма Epcos совместно с компанией Лэпкос представили на российском рынке новый материал N95, характеризующийся близкой к линейной зависимостью потерь от температуры в диапазоне от Т=60÷100°С (рисунок 1), что позволяет достичь максимальной эффективности при неполной нагрузке и повысить КПД силового устройства. Отличительной особенностью нового материала также является высокая магнитная индукция, соответствующая 525 мТл при 25°С и 410 мТл при 100°С.

На рисунке 1 представлены зависимости потерь от температуры в основных силовых материалах (N87, N97) и новой марке N95. Измерения проводили на кольцах-свидетелях. Из графиков видно, что минимум потерь в сердечнике из силового материала N87 находится при 100°С. Для нового материала N95 минимальное значение, равное 310 кВт/м³, фиксируется уже при 80°С, что на 15 и 54% меньше, чем для N87. В контрольных точках при 100кГц 200 мТл 100°С относительные потери в ферритах N87 и N95 составляют 375 и 350 кВт/м³.

Рисунок 1 -  Зависимость потерь от температуры в основных силовых материалах (N87, N97) и новой марке N95

На примере типового трансформатора на силовом феррите рассмотрены графики потерь в сердечнике, в обмотках, а также суммарных потерь при полной нагрузке в диапазоне температур от 20 до 120°С (рисунок 2). Контрольная точка P1 и сопротивление R _th зафиксированы при температуре среды 50°С (T_amb1) и рабочей температуре 100°С при полной нагрузке. При снижении температуры среды до 30°С наклон кривой сопротивления R_th не меняется. Тем не менее, рабочая точка смещается из области P1 в P2, что значительно влияет на потери в трансформаторе.

Рисунок 2 -  графики потерь в сердечнике, в обмотках, а также суммарных потерь при полной нагрузке в диапазоне температур от 20 до 120°С

На рисунке 3 приведены зависимости потерь от температуры при полной нагрузке (P_tfl), при нагрузках 80% (P_t80),50% (P_t50), 20% (P_t20) и в отсутствии нагрузки (P_cnl). Измерения проводили на примере низкопрофильного сердечника RM14, изготовленного из феррита N95, в контрольной точке при частоте 100 кГц магнитной индукции 200 мТл и температуре среды 50°С. Контрольные точки при полной нагрузке, 80% и 50% нагрузках, а также в ее отсутствии при температуре среды 50°С обозначены на рисунке как P1, Q1, R1, S1, а при T=30°С - P2, Q2, R2, S2. Используя полученные зависимости, можно определить изменение величины потерь при повышении температуры с учетом неполной нагрузки. Так, например, контрольной точке R1 соответствуют потери 5.55 Вт при нагрузке 50% и рабочей температуре 73°С.

Рисунок 3 - зависимости потерь от температуры при полной нагрузке (P_tfl), при нагрузках 80% (P_t80),50% (P_t50), 20% (P_t20) и в отсутствии нагрузки (P_cnl)

Как известно, снижение потерь приводит к прямому накоплению энергии. На схеме 4 приведены зависимости, характеризующие накапливаемую энергию на примере низкопрофильных сердечников RM14, выполненных из разных силовых материалов. Из графиков видно, что в случае двухтактового преобразователя материал N95 фирмы Epcos в заданных условиях (температура среды 30°С, f=100кГц, B=200мТл) позволяет накапливать энергию в большем объеме в сравнении с другими марками ферритов.

Таким образом, новый материал Epcos рекомендован для использования в импульсных источниках питания, высокочастотных преобразователях. Применение феррита N95 позволяет обеспечивать высокую эффективность даже при частичной нагрузке. Основные конфигурации сердечников из феррита N95: E, RM, ER, ETD, PQ и др..

Складские линии Лэпкос

В ближайшее время на склад компании Лэпкос поступят и будут поддерживаться следующие сердечники производства Epcos из нового материала N95.

Типоразмер	Материал	Код заказа	Al [нГн/Вит²]	∑l/A [мм-1]	le [мм]	Ae [мм²]	Ve [мм³]	pdf
PQ20/16	N95	B65875B0000R095	3750+30/-20%	0,579	37	64	2367
PQ26/20	N95	B65877B0000R095	6300+30/-20%	0,363	44,40	122,3	5435
PQ32/20	N95	B65879A0000R095	6300+30/-20%	0,314	48,40	154,2	7460
PQ32/30	N95	B65879B0000R095	7600+30/-20%	0,441	67,80	153,8	10440
PQ35/35	N95	B65881A0000R095	5700+30/-20%	0,467	79,20	169,7	13440
PQ40/40	N95	B65883A0000R095	5500+30/-20%	0,490	92,5	188,3	17430

Типоразмер	Материал	Код заказа	Al [нГн/Вит²]	∑l/A [мм-1]	le [мм]	Ae [мм²]	Ve [мм³]	pdf
E20/10/6 (EF20)	N95	B66311G0000X195		1,44	46,3	32,1	1490
E25/13/7 (EF 25)	N95	B66317G0000X195		1,1	57,5	52,5	3020
E 42/21/15	N95	B66325G0000X195	5100+30/-20%	0,54	97	178	17300
E 42/21/20	N95	B66329G0000X195	6700+30/-20%	0,41	97	234	22700
E65/32/27	N95	B66387G0000X195		0,27	147	535	78650

Типоразмер	Материал	Код заказа	Al [нГн/Вит²]	∑l/A [мм-1]	le [мм]	Ae [мм²]	Ve [мм³]	pdf
ETD 29/16/10	N95	B66358G0000X195		0,93	70.4	76.0	5350
ETD 34/17/11	N95	B66361G0000X195		0,81	78,6	97,1	7630
ETD 39/20/13	N95	B66363G0000X195		0,74	92.2	125	11500
ETD 44/22/15	N95	B66365G0000X195	4400+30/-20%	0,6	103	173	17800
ETD 49/25/16	N95	B66367G0000X195		0,54	114	211	24100
ETD 59/31/22	N95	B66397G0000X195		0,38	139	368	51200

Типоразмер	Материал	Код заказа	Al [нГн/Вит²]	∑l/A [мм-1]	le [мм]	Ae [мм²]	Ve [мм³]	pdf
EFD 20/10/7	N95	B66417G0000X195		1.52	47	31	1460
EFD 25/13/9	N95	B66421G0000X195		0,98	57	58	3310
EFD 30/15/9	N95	B66423G0000X195		0,99	68	69	4690

Типоразмер	Материал	Код заказа	Al [нГн/Вит²]	∑l/A [мм-1]	le [мм]	Ae [мм²]	Ve [мм³]	pdf
R 10.0 × 6.00 × 4.00	N95	B64290L0038X095		3.07	24.07	7.83	188
R 20.0 x 10.0 x 7.00	N95	B64290L0632X095		1,30	43.55	33.63	1465
R 25.3 × 14.8 × 10.0	N95	B64290L0618X095		1,17	60.07	51.26	3079
R 29.5 x 19 x 14.9	N95	B64290L0647X095		0,96	73.78	76.98	5680
R 50.0 x 30.0 x 20.0	N95	B64290L0082X095		0,62	120.4	195.7	23560