フェライトコアトランスの計算方法

フェライトトランスの計算は、フェライトをコア材料として使用して、エンジニアがトランスのさまざまな巻線仕様とコア寸法を評価するプロセスです。これにより、特定のアプリケーション向けに完全に最適化されたトランスを作成できます。

投稿では、カスタマイズされたフェライトコアトランスの計算方法と設計方法に関する詳細な説明を示しています。内容はわかりやすく、の分野に従事するエンジニアにとって非常に便利です。 パワーエレクトロニクス 、およびSMPSインバーターの製造。

フェライトコアが高周波変換器で使用される理由

最新のすべてのスイッチモード電源またはSMPSコンバータでフェライトコアを使用する理由について、よく疑問に思われるかもしれません。確かに、鉄心電源に比べて高い効率とコンパクトさを実現することですが、フェライトコアがこの高度な効率とコンパクトさをどのように実現できるかを知ることは興味深いでしょうか。

なぜなら 鉄心変圧器、 鉄材はフェライト材より透磁率がはるかに劣ります。対照的に、フェライトコアは非常に高い透磁率を持っています。

つまり、磁場にさらされると、フェライト材料は他のすべての形態の磁性材料よりも優れた非常に高度な磁化を達成することができます。

透磁率が高いということは、渦電流の量が少なく、スイッチング損失が少ないことを意味します。磁性材料は通常、磁気周波数の上昇に応答して渦電流を生成する傾向があります。

周波数が高くなると、渦電流も大きくなり、材料が加熱されてコイルのインピーダンスが高くなり、スイッチング損失がさらに大きくなります。

フェライトコアは、透磁率が高いため、渦電流が低く、スイッチング損失が低いため、高周波でより効率的に動作できます。

逆に渦電流を減らすのに役立つので、低周波数を使用してみませんか？有効と思われますが、周波数が低いと、同じトランスの巻数が増えることにもなります。

周波数が高くなると、それに比例して巻数が少なくなるため、トランスはより小さく、より軽く、より安価になります。これが、SMPSが高周波を使用する理由です。

インバータートポロジー

スイッチモードインバータでは、通常、プッシュプルとプッシュプルの2種類のトポロジが終了します。 フルブリッジ 。プッシュプルは一次巻線にセンタータップを採用し、フルブリッジは一次巻線と二次巻線の両方に単一の巻線を備えています。

実際には、両方のトポロジは本質的にプッシュプルです。どちらの形式でも、巻線にはMOSFETによって連続的にスイッチングする逆順方向の交流電流が印加され、指定された高周波で発振し、プッシュプル動作を模倣します。

2つの基本的な違いは、センタータップトランスの一次側の巻数がフルブリッジトランスの2倍であるということだけです。

フェライトコアインバータトランスの計算方法

指定されたすべてのパラメータが手元にあれば、フェライトコアトランスの計算は実際には非常に簡単です。

簡単にするために、たとえば250ワットの変圧器の場合のセットアップ例を使用して式を解こうとします。

電源は12Vバッテリーになります。トランスを切り替える周波数は50kHzで、ほとんどのSMPSインバーターの典型的な数値です。出力は310Vであると想定します。これは通常、220VRMSのピーク値です。

ここで、310 Vは、高速リカバリによる整流後です。 ブリッジ整流器 、およびLCフィルター。コアをETD39として選択します。

ご存知のように、 12Vバッテリー が使用されている場合、その電圧は決して一定ではありません。フル充電時の値は約13Vで、インバーターの負荷が電力を消費するにつれて低下し続け、最終的にバッテリーが最低値（通常は10.5 V）まで放電します。したがって、計算では、10.5Vをの供給値と見なします。 V _in（分）。

一次ターン

一次巻数を計算するための標準式を以下に示します。

N _（最初）= V _{in（名詞）}x 10⁸/ 4 x f バツ B _最大バツ に _c

ここに N _（最初）一次ターン番号を指します。この例ではセンタータッププッシュプルトポロジを選択しているため、得られる結果は必要な総回転数の半分になります。

• ワイン _（苗字）=平均入力電圧。私たちの平均バッテリー電圧は12Vなので、見てみましょう ワイン _（苗字）= 12。
• f = 50 kHz、または50,000Hz。これは、当社が選択した推奨スイッチング周波数です。
• B _最大=ガウス単位の最大磁束密度。この例では、 B _最大1300Gから2000Gの範囲になります。これは、ほとんどのフェライトベースのトランスコアの標準値です。この例では、1500Gに落ち着きましょう。だから私たちは持っています B _最大= 1500。より高い値 B _最大トランスが飽和点に達する可能性があるため、お勧めしません。逆に、 B _最大コアが十分に活用されていない可能性があります。
• に_c=有効断面積（cm）^二。この情報は収集できます フェライトコアのデータシートから 。あなたはまたAを見つけるかもしれません_cAとして提示されている_です。選択したコア番号ETD39の場合、データシートシートに記載されている有効断面積は125mmです。^二。それは1.25cmに等しい^二。したがって、A_c= ETD39の場合は1.25。

上記の図は、SMPSインバータトランスの1次巻線を計算するために必要なすべてのパラメータの値を示しています。したがって、上記の式にそれぞれの値を代入すると、次のようになります。

N _（最初）= V _{in（名詞）}x 10⁸/ 4 x f バツ B _最大バツ に _c

N _（最初）= 12 x 10⁸/ 4 x 50000 x 1500 x 1.2

N _（最初）= 3.2

3.2は小数値であり、実際に実装するのは難しい場合があるため、3ターンに四捨五入します。ただし、この値を確定する前に、の値が B _最大は引き続き互換性があり、この新しい四捨五入された値3の許容範囲内です。

なぜなら、ターン数を減らすと、それに比例して増加するからです。 B _最大したがって、増加したかどうかを確認することが不可欠になります B _最大まだ3つのプライマリターンの許容範囲内です。

カウンターチェック B _最大次の既存の値を代入することにより、次のようになります。
ワイン _（苗字）= 12、 f = 50000、 N _で= 3、 に _c= 1.25

B _最大= V _{in（名詞）}x 10⁸/ 4 x f バツ N _（最初）バツ に _c

B _最大= 12 x 10⁸/ 4 x 50000 x 3 x 1.25

B _最大= 1600

見ることができるように新しい B _最大の値 N _（で）= 3ターンは問題なく見え、許容範囲内です。これはまた、いつでもあなたがの数を操作したいと思うなら、 N _（最初）ターン、あなたはそれが対応する新しいに準拠していることを確認する必要があります B _最大値。

反対に、最初に決定することが可能かもしれません B _最大必要な一次ターン数を求めてから、式の他の変数を適切に変更して、ターン数をこの値に調整します。

二次ターン

これで、フェライトSMPSインバータトランスの1次側を計算する方法がわかりました。次に、トランスの2次側である反対側を調べます。

二次側のピーク値は310Vである必要があるため、13Vから10.5Vまでのバッテリ電圧範囲全体で値を維持する必要があります。

間違いなく私たちは採用する必要があります フィードバックシステム 一定の出力電圧レベルを維持するため、低いバッテリ電圧または上昇する負荷電流変動に対抗するため。

ただし、このためには、この自動制御を容易にするために、ある程度の余裕または余裕が必要です。 +20 Vのマージンで十分に見えるため、最大出力ピーク電圧を310 + 20 = 330Vとして選択します。

これは、変圧器が最低10.5のバッテリー電圧で310Vを出力するように設計されなければならないことも意味します。

フィードバック制御には、通常、自己調整PWM回路を採用しています。これは、低バッテリまたは高負荷時にパルス幅を広げ、無負荷または最適なバッテリ状態に比例してパルス幅を狭めます。

これは、 バッテリー残量が少ない状態 PWMは、規定の310 V出力を維持するために、最大デューティサイクルに自動調整する必要があります。この最大PWMは、総デューティサイクルの98％であると想定できます。

デッドタイムには2％のギャップが残っています。デッドタイムは、各半サイクル周波数間のゼロ電圧ギャップであり、その間、MOSFETまたは特定のパワーデバイスは完全に遮断されたままになります。これにより、安全性が保証され、プッシュプルサイクルの移行期間中にMOSFET間のシュートスルーが防止されます。

したがって、入力電源は、バッテリ電圧が最小レベルに達したとき、つまり、 V _に= V _in（分）= 10.5V。これにより、デューティサイクルが最大98％になるように促されます。

上記のデータは、バッテリーが最小10.5 Vのときに、変圧器の一次側が二次側で310 Vを生成するために必要な平均電圧（DC RMS）を計算するために使用できます。このため、98％に10.5を掛けます。下に示された：

0.98 x 10.5 V = 10.29 V、これは変圧器の一次側の定格電圧です。

これで、最大二次電圧が330 Vであり、一次電圧が10.29 Vであることがわかります。これにより、両側の比率を330：10.29 = 32.1として取得できます。

定格電圧比は32.1なので、巻数比も同じ形式にする必要があります。

意味、x：3 = 32.1、ここでx =二次ターン、3 =一次ターン。

これを解決すると、2次ターン数をすばやく取得できます

したがって、2次ターンは= 96.3です。

図96.3は、私たちが設計している提案されたフェライトインバータトランスに必要な2次巻線の数です。先に述べたように、小数値は実際には実装が難しいため、96ターンに丸めます。

これで計算は終わりです。ここにいるすべての読者が、特定のSMPSインバータ回路のフェライトトランスを簡単に計算する方法を理解している必要があります。

補助巻線の計算

補助巻線は、ユーザーが外部実装に必要とする可能性のある補助巻線です。

たとえば、2次側の330 Vに加えて、LEDランプ用に33Vを取得するために別の巻線が必要であるとします。まず、 二次：補助 二次巻線の定格310Vに対する巻数比。式は次のとおりです。

N_に= V_秒/（V_に+ V_d）

N_に=二次：補助比、V_秒=二次安定化整流電圧V_に=補助電圧、V_d=整流ダイオードのダイオード順方向ドロップ値。ここでは高速ダイオードが必要なので、V付きのショットキー整流器を使用します_d= 0.5V

それを解決すると、次のようになります。

N_に= 310 /（33 + 0.5）= 9.25、9に丸めましょう。

ここで、補助巻線に必要な巻数を導き出します。これは、次の式を適用することで得られます。

N_に= N_秒/ N_に

ここでN_に=補助ターン、N_秒=二次ターン、N_に=補助比。

以前の結果から、Nがあります_秒= 96、およびN_に= 9、上記の式にこれらを代入すると、次のようになります。

N_に= 96/9 = 10.66、四捨五入すると11ターンになります。したがって、33 Vを得るには、2次側で11ターンが必要になります。

したがって、このようにして、自分の好みに応じて補助巻線の寸法を決めることができます。

まとめ

この投稿では、次の手順を使用して、フェライトコアベースのインバータトランスを計算および設計する方法を学びました。

• 一次ターンを計算する
• 二次ターンを計算する
• 決定して確認する B _最大
• PWMフィードバック制御の最大二次電圧を決定します
• 一次二次巻数比を見つける
• 二次ターン数を計算する
• 補助巻線の巻数を計算する

上記の式と計算を使用して、関心のあるユーザーは、SMPSアプリケーション用にカスタマイズされたフェライトコアベースのインバーターを簡単に設計できます。

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