Новый ферритовый материал PC200: улучшенные магнитные характеристики и усовершенствованные геометрические параметры

Наряду с миниатюризацией повышение производительности является крайне важной  характеристикой при разработке блоков питания. Причем каждая десятая доля процента, позволяющая улучшить этот параметр, имеет значение. Без учета силовых полупроводников применение высокоэффективных ферритовых сердечников являются важным фактором при повышении КПД. В этой связи, компания TDK разработала новый ферритовый материал и представила конфигурации сердечников с улучшенными геометрическими параметрами.

Во всех типах источников питания используются ферритовые сердечники разных конфигураций, которые являются ключевыми элементами катушек индуктивности для накопления энергии и трансформаторов (для передачи энергии и гальванической развязки). Несмотря на то, что задача по достижению производительности, соответствующей 98%, уже решена на сегодняшний день, разработчики все еще находятся в борьбе за каждую десятую долю процента, особенно в случае применений, где требуются высокие мощности. В настоящее время проводятся разработки для дальнейшего повышения КПД с сохранением миниатюрных размеров компонентов для экономии места и веса.

Широкозонные полупроводники, такие как нитрид галлия (GaN) и карбид кремния (SiC), получили массовое распространение, поскольку они способны осуществлять переключение на более высоких частотах с более высокими скоростями нарастания выходного напряжения и меньшими потерями. Это означает, что в принципе возможно использовать катушки индуктивности и трансформаторы значительно меньшего размера или задавать более высокие номинальные мощности для компонентов того же размера. Недостатком является тот факт, что существующие силовые ферритовые материалы не предназначены для работы в мегагерцовом диапазоне частот, где они обладают гораздо большими значениями потерь по сравнению с низкочастотным диапазоном.

Новый материал PC200 характеризуется высокой производительностью на частотах до 4 МГц

Чтобы воспользоваться всеми преимуществами полупроводников, инженеры TDK выпустили новую марку материала PC200 на основе MnZn, который разработан для эксплуатации в диапазоне частот от 0.7 МГц до 4 МГц. Максимальная допустимая мощность достигается при частоте переключения между 1,8 МГц и 2 МГц и рабочей температуре 100 °С. Температура Кюри превышает 250 °C. Ферритовый материал PC200 особенно подходит для трансформаторов на основе кольцевых сердечников или низкопрофильных трансформаторов и дросселей, обмотки которых выполняются в виде дорожек на многослойной печатной плате. На рисунке 1 показано сравнение производительности между PC200 и обычными силовыми материалами.

Рисунок 1 - Новый ферритовый материал на основе MnZn PC200 оптимально подходит для использования на частоте 2 МГц и, следовательно, является идеальным техническим решением для микросхем источников питания, работающих на широкозонных полупроводниках, таких как GaN и SiC.

На 70 % меньше потерь благодаря распределенному зазору

На сегодняшний день использование отдельного воздушного зазора в ферритовых сердечниках является обычной практикой для замедления насыщения сердечника и повышения эксплуатационных характеристик. Однако использование сравнительно больших отдельных зазоров приводит к увеличению потока рассеяния, что приводит к дополнительным потерям в меди, особенно на высоких частотах. Используя усовершенствованные геометрические формы и технологию изготовления ферритов с применением распределенного воздушного зазора, TDK стала первой компанией по производству ферритов, предложившей передовой подход для снижения электромагнитного излучения и, как следствие, нагрева (Рисунок 2). Благодаря размещению зазоров в центральном керне сердечника удается избежать влияния электромагнитного излучения на среду.

Сердечники широкого типоразмерного ряда с тремя распределенными воздушными зазорами выпускаются в следующих конфигурациях: E, EQ, ER, ETD, PM и PQ. Для данных ферритов доступны все силовые марки материалов EPCOS. Исполнение с тремя воздушными зазорами (Рисунок 3) характеризуется лучшим соотношением цена/качество для применений, где частота переключений в 2 или 3 раза выше, чем у исходной частоты. Помимо стандартных технических решений по запросу заказчика может быть реализовано заданное количество зазоров.