Le calcul du transformateur de ferrite est un processus dans lequel les ingénieurs évaluent les diverses spécifications d'enroulement et la dimension du noyau du transformateur, en utilisant la ferrite comme matériau de noyau. Cela les aide à créer un transformateur parfaitement optimisé pour une application donnée.
L'article présente une explication détaillée sur la façon de calculer et de concevoir des transformateurs à noyau de ferrite personnalisés. Le contenu est facile à comprendre et peut être très pratique pour les ingénieurs engagés dans le domaine de électronique de puissance et la fabrication d'onduleurs SMPS.
Pourquoi le noyau de ferrite est utilisé dans les convertisseurs haute fréquence
Vous vous êtes peut-être souvent demandé la raison de l'utilisation de noyaux de ferrite dans toutes les alimentations à découpage ou convertisseurs SMPS modernes. Bon, il s'agit d'obtenir un rendement et une compacité plus élevés par rapport aux alimentations à noyau de fer, mais il serait intéressant de savoir comment les noyaux de ferrite nous permettent d'atteindre ce haut degré d'efficacité et de compacité?
C'est parce que dans transformateurs de noyau de fer, le fer a une perméabilité magnétique bien inférieure à celle du ferrite. En revanche, les noyaux de ferrite possèdent une perméabilité magnétique très élevée.
Ce qui signifie que lorsqu'il est soumis à un champ magnétique, le matériau ferrite est capable d'atteindre un très haut degré de magnétisation, mieux que toutes les autres formes de matériau magnétique.
Une perméabilité magnétique plus élevée signifie une quantité plus faible de courants de Foucault et des pertes de commutation plus faibles. Un matériau magnétique a normalement tendance à générer des courants de Foucault en réponse à une fréquence magnétique croissante.
Lorsque la fréquence augmente, les courants de Foucault augmentent également, provoquant un échauffement du matériau et une augmentation de l'impédance de la bobine, ce qui entraîne d'autres pertes de commutation.
Les noyaux en ferrite, en raison de leur perméabilité magnétique élevée, sont capables de fonctionner plus efficacement avec des fréquences plus élevées, en raison de courants de Foucault plus faibles et de pertes de commutation plus faibles.
Maintenant, vous pensez peut-être, pourquoi ne pas utiliser une fréquence plus basse car cela aiderait à l'inverse à réduire les courants de Foucault? Il semble valable, cependant, une fréquence plus basse signifierait également augmenter le nombre de tours pour le même transformateur.
Étant donné que des fréquences plus élevées permettent un nombre de tours proportionnellement plus faible, le transformateur est plus petit, plus léger et moins cher. C'est pourquoi SMPS utilise une fréquence élevée.
Topologie de l'onduleur
Dans les onduleurs à découpage, il existe normalement deux types de topologie: push-pull et Pont complet . Le push pull utilise une prise centrale pour l'enroulement primaire, tandis que le pont complet se compose d'un seul enroulement pour le primaire et le secondaire.
En fait, les deux topologies sont de nature push-pull. Dans les deux formes, l'enroulement est appliqué avec un courant alternatif inverse-direct à commutation continue par les MOSFET, oscillant à la haute fréquence spécifiée, imitant une action push-pull.
La seule différence fondamentale entre les deux est que le côté primaire du transformateur de prise centrale a 2 fois plus de tours que le transformateur à pont complet.
Comment calculer le transformateur inverseur à noyau de ferrite
Le calcul d'un transformateur à noyau de ferrite est en fait assez simple, si vous avez tous les paramètres spécifiés en main.
Pour plus de simplicité, nous allons essayer de résoudre la formule à travers un exemple de mise en place, disons pour un transformateur de 250 watts.
La source d'alimentation sera une batterie 12 V. La fréquence de commutation du transformateur sera de 50 kHz, un chiffre typique dans la plupart des onduleurs SMPS. Nous supposerons que la sortie est de 310 V, ce qui est normalement la valeur de crête d'un 220V RMS.
Ici, le 310 V sera après rectification grâce à une récupération rapide pont redresseur et filtres LC. Nous sélectionnons le noyau comme ETD39.
Comme nous le savons tous, quand un Batterie 12 V est utilisé, sa tension n'est jamais constante. À pleine charge, la valeur est d'environ 13 V, ce qui continue de baisser à mesure que la charge de l'onduleur consomme de l'énergie, jusqu'à ce que finalement la batterie se décharge à sa limite la plus basse, qui est généralement de 10,5 V.Pour nos calculs, nous considérerons donc 10,5 V comme valeur V dans (min).
Tours principaux
La formule standard pour calculer le nombre de tours principal est donnée ci-dessous:
N (première)= V in (substantif)x 108/ 4 x F X B maxX À c
Ici N (première)fait référence aux numéros de tour principaux. Puisque nous avons sélectionné une topologie push pull à prise centrale dans notre exemple, le résultat obtenu sera la moitié du nombre total de tours requis.
- Vin (nom)= Tension d'entrée moyenne. Puisque la tension moyenne de notre batterie est de 12 V, prenons Vin (nom)= 12.
- F = 50 kHz ou 50 000 Hz. Il s'agit de la fréquence de découpage préférée, choisie par nos soins.
- B max= Densité de flux maximale en Gauss. Dans cet exemple, nous supposerons B maxêtre dans la gamme de 1300G à 2000G. Il s'agit de la valeur standard de la plupart des noyaux de transformateur à base de ferrite. Dans cet exemple, réglons-nous à 1500G. Donc nous avons B max= 1500. Valeurs plus élevées de B maxn'est pas recommandé car cela peut amener le transformateur à atteindre le point de saturation. Inversement, des valeurs plus faibles de B maxpeut entraîner une sous-utilisation du noyau.
- Àc= Aire transversale effective en cmdeux. Ces informations peuvent être collectées à partir des fiches techniques des noyaux de ferrite . Vous pouvez également trouver uncétant présenté comme Aest. Pour le numéro de noyau sélectionné ETD39, la section transversale effective fournie dans la fiche technique est de 125 mmdeux. Cela équivaut à 1,25 cmdeux. Par conséquent, nous avons, Ac= 1,25 pour ETD39.
Les chiffres ci-dessus nous donnent les valeurs de tous les paramètres nécessaires au calcul des spires primaires de notre transformateur onduleur SMPS. Par conséquent, en remplaçant les valeurs respectives dans la formule ci-dessus, nous obtenons:
N (première)= V in (substantif)x 108/ 4 x F X B maxX À c
N (première)= 12 x 108/ 4 x 50000 x 1500 x 1,2
N (première)= 3,2
Étant donné que 3,2 est une valeur fractionnaire et peut être difficile à mettre en œuvre pratiquement, nous allons l'arrondir à 3 tours. Cependant, avant de finaliser cette valeur, nous devons examiner si la valeur de B maxest toujours compatible et dans la plage acceptable pour cette nouvelle valeur arrondie 3.
Parce que la diminution du nombre de tours entraînera une augmentation proportionnelle du B max, il devient donc impératif de vérifier si l'augmentation B maxest toujours dans la plage acceptable pour nos 3 tours principaux.
Vérification du compteur B maxen remplaçant les valeurs existantes suivantes, nous obtenons:
Vin (nom)= 12, F = 50000, N à= 3, À c= 1,25
B max= V in (substantif)x 108/ 4 x F X N (première)X À c
B max= 12 x 108/ 4 x 50000 x 3 x 1,25
B max= 1600
Comme on peut le voir le nouveau B maxla valeur pour N (à)= 3 tours semble bien et se situe bien dans la plage acceptable. Cela implique également que, si à tout moment vous avez envie de manipuler le nombre de N (première)tourne, vous devez vous assurer qu'il est conforme à la nouvelle B maxévaluer.
À l'opposé, il peut être possible de déterminer d'abord le B maxpour un nombre souhaité de tours primaires, puis ajustez le nombre de tours à cette valeur en modifiant convenablement les autres variables de la formule.
Tours secondaires
Maintenant que nous savons comment calculer le côté primaire d'un transformateur onduleur SMPS en ferrite, il est temps de regarder de l'autre côté, c'est-à-dire le secondaire du transformateur.
Étant donné que la valeur de crête doit être de 310 V pour le secondaire, nous souhaitons que la valeur soit maintenue pour toute la plage de tension de la batterie à partir de 13 V à 10,5 V.
Nul doute que nous devrons employer un système de rétroaction pour maintenir un niveau de tension de sortie constant, pour contrer une tension de batterie faible ou des variations croissantes du courant de charge.
Mais pour cela, il doit y avoir une marge supérieure ou une marge pour faciliter ce contrôle automatique. Une marge de +20 V semble assez bonne, nous sélectionnons donc la tension de crête de sortie maximale comme 310 + 20 = 330 V.
Cela signifie également que le transformateur doit être conçu pour produire 310 V à la tension de batterie de 10,5 la plus basse.
Pour le contrôle de rétroaction, nous utilisons normalement un circuit PWM auto-ajustable, qui élargit la largeur d'impulsion en cas de batterie faible ou de charge élevée, et la réduit proportionnellement en l'absence de charge ou dans des conditions optimales de batterie.
Cela signifie, à conditions de batterie faible le PWM doit s'ajuster automatiquement au cycle de service maximal, pour maintenir la sortie 310 V stipulée. Ce PWM maximum peut être supposé être 98% du cycle de service total.
L'écart de 2% est laissé pour le temps mort. Le temps mort est l'écart de tension nul entre chaque demi-fréquence de cycle, pendant lequel les MOSFET ou les dispositifs d'alimentation spécifiques restent complètement coupés. Cela garantit une sécurité garantie et empêche de tirer à travers les MOSFET pendant les périodes de transition des cycles push pull.
Par conséquent, l'alimentation d'entrée sera minimale lorsque la tension de la batterie atteint son niveau minimum, c'est-à-dire lorsque V dans= V dans (min)= 10,5 V. Cela incitera le cycle de service à être à son maximum de 98%.
Les données ci-dessus peuvent être utilisées pour calculer la tension moyenne (DC RMS) nécessaire pour que le côté primaire du transformateur génère 310 V au secondaire, lorsque la batterie est au minimum 10,5 V.Pour cela, nous multiplions 98% par 10,5, comme indiqué ci-dessous:
0,98 x 10,5 V = 10,29 V, c'est la tension nominale que notre primaire de transformateur est censé avoir.
Maintenant, nous connaissons la tension secondaire maximale qui est de 330 V, et nous connaissons également la tension primaire qui est de 10,29 V. Cela nous permet d'obtenir le rapport des deux côtés comme: 330: 10,29 = 32,1.
Étant donné que le rapport des tensions nominales est de 32,1, le rapport de rotation doit également être dans le même format.
Signification, x: 3 = 32,1, où x = tours secondaires, 3 = tours primaires.
En résolvant cela, nous pouvons rapidement obtenir le nombre de tours secondaire
Par conséquent, les tours secondaires sont = 96,3.
Le chiffre 96,3 est le nombre de tours secondaires dont nous avons besoin pour le transformateur inverseur de ferrite proposé que nous concevons. Comme indiqué précédemment, étant donné que les valeurs fractionnaires sont difficiles à mettre en œuvre pratiquement, nous arrondissons à 96 tours.
Ceci conclut nos calculs et j'espère que tous les lecteurs ici doivent avoir compris comment calculer simplement un transformateur de ferrite pour un circuit d'onduleur SMPS spécifique.
Calcul de l'enroulement auxiliaire
Un enroulement auxiliaire est un enroulement supplémentaire dont un utilisateur peut avoir besoin pour une mise en œuvre externe.
Disons que, avec le 330 V au secondaire, vous avez besoin d'un autre enroulement pour obtenir 33 V pour une lampe LED. Nous calculons d'abord le secondaire: auxiliaire rapport de rotation par rapport à l'enroulement secondaire de 310 V. La formule est:
NÀ= Vseconde/ (Vaux+ Vré)
NÀ= secondaire: rapport auxiliaire, Vseconde= Tension redressée régulée secondaire, Vaux= tension auxiliaire, Vré= Valeur de chute directe de la diode pour la diode de redressement. Puisque nous avons besoin d'une diode à haute vitesse ici, nous utiliserons un redresseur Schottky avec un Vré= 0,5 V
Le résoudre nous donne:
NÀ= 310 / (33 + 0,5) = 9,25, arrondissons à 9.
Dérivons maintenant le nombre de tours requis pour l'enroulement auxiliaire, nous obtenons cela en appliquant la formule:
Naux= Nseconde/ NÀ
Où Naux= tours auxiliaires, Nseconde= tours secondaires, NÀ= rapport auxiliaire.
D'après nos résultats précédents, nous avons Nseconde= 96 et NÀ= 9, en les remplaçant dans la formule ci-dessus, nous obtenons:
Naux= 96/9 = 10,66, l'arrondir nous donne 11 tours. Donc, pour obtenir 33 V, nous aurons besoin de 11 tours du côté secondaire.
Ainsi, vous pouvez dimensionner un enroulement auxiliaire selon vos préférences.
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Dans cet article, nous avons appris à calculer et à concevoir des transformateurs onduleurs à base de noyau de ferrite, en suivant les étapes suivantes:
- Calculer les virages principaux
- Calculer les virages secondaires
- Déterminer et confirmer B max
- Déterminez la tension secondaire maximale pour le contrôle de rétroaction PWM
- Trouver le taux de virage secondaire principal
- Calculer le nombre de tours secondaire
- Calculer les tours d'enroulement auxiliaire
En utilisant les formules et calculs mentionnés ci-dessus, un utilisateur intéressé peut facilement concevoir un onduleur à base de noyau de ferrite personnalisé pour une application SMPS.
Pour des questions et des doutes, n'hésitez pas à utiliser la zone de commentaire ci-dessous, je vais essayer de résoudre au plus tôt
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