Objętość rdzenia ferrytowego ETD59, PQ50, E65 do 1000W 100kHz – dobór i przykłady

Pytanie

Jaka objętość rdzenia ferrytowego dla 1000W i castotliwosci 100khz

Odpowiedź Sztucznej Inteligencji

Bezpośrednia odpowiedź na pytanie

• Dla przetwornicy o mocy 1000 W pracującej przy 100 kHz należy przyjąć rdzeń ferrytowy o efektywnej objętości magnetycznej \(V_e\) rzędu 12 – 15 cm³.
• Typowe, łatwo dostępne rdzenie spełniające te wymagania: ETD59, PQ50/50, E65, ewentualnie planar E64/10/20 lub 2‑szt. ETD49 zmostkowane.

Szczegółowa analiza problemu

1. Założenia projektowe
   • Topologia o symetrycznym przepływie energii (np. half‑bridge, full‑bridge) – brak składowej DC ⇒ mniejsze ryzyko nasycenia.
   • Materiał ferrytowy zoptymalizowany do 100 kHz: EPCOS/TDK N87, N97, Ferroxcube 3C95, 3C94, Magnetics P‑material.
   • Dopuszczalna indukcja maksymalna \(B_{\text{max}}\): 180 – 220 mT (dla \(\Delta T\le 40 ℃\)).
   • Żądana sprawność układu ≈ 95  %, straty w rdzeniu ≤ 2  % mocy (≈ 20 W).

2. Szacowanie objętości – dwie uzupełniające metody

   a) „Power handling per volume” (praktyka producentów)
   Dla ww. materiałów przy 100 kHz przyjmuje się 70 – 90 W/cm³.
   \[ Ve \approx \frac{P{\text{out}}}{gęstość\ mocy}=\frac{1000\ \text{W}}{75\ \text{W/cm}^3}\approx 13{,}3\ \text{cm}^3. \]

   b) Iloczyn pól \(A_P=A_e\cdot A_w\) (metoda projektowa)
   \[ AP=\frac{P{out}\cdot10^{4}}{k\;B_{\text{max}}\;f\;J\;K_u} \] gdzie
   \(k=4\) (przebieg prostokątny), \(J=4\ \text{A/mm}^2\), \(K_u=0{,}3\).
   Daje to \(A_P\approx 30\ \text{cm}^4\).
   Rdzeń ETD59 ( \(A_e=2{,}5\ \text{cm}^2,\;A_w=4{,}25\ \text{cm}^2,\;A_P=10{,}6\ \text{cm}^4\) ) bywa więc łączony w pary lub przewymiarowany grubszy PQ/E65, co znów prowadzi do \(V_e\) ok. 12 – 15 cm³.

3. Dobór konkretnego rdzenia (dane katalogowe)

* Zakładając mostek/half‑bridge i \(B_{\text{max}}\approx 0{,}2\ \text{T}\).

4. Straty i termika
   • Przy 0,2 T i 100 kHz materiały 3C95/N87 dają straty rdzeniowe \(P_V \approx 150\ \text{mW/cm}^3\).
   • Dla \(V_e=13\ \text{cm}^3\) otrzymujemy ≈ 2 W strat – akceptowalne.
   • Uwzględnić dodatkowe 15‑20 W strat w uzwojeniach (skóra, zbliżenie) ⇒ konieczne druty litz lub folia Cu.

Aktualne informacje i trendy

• Niskostratne ferryty 3C97, PC200 (TDK) lub 5H40 (TDG) obniżają straty przy 100‑200 kHz o ~30 %.
• Coraz popularniejsze rdzenie planarne (E64/10/20, E49/9/16) umożliwiają mniejszą wysokość przy podobnym \(V_e\).
• Zasoby on‑line (np. „EPCOS Ferrite Selection Tool”, „Ferroxcube Calc”) automatyzują dobór, uwzględniając aktualne charakterystyki strat.

Wspierające wyjaśnienia i detale

• Wzór Steinmetza: \(P_V = k f^\alpha B^\beta\) pozwala ocenić wpływ obniżenia \(B_{\text{max}}\) na straty; np. zmniejszenie \(B\) z 0,2 T do 0,15 T redukuje straty ~2×, kosztem większej liczby zwojów.
• Window Utilization Factor \(K_u\) ≈ 0,3 dla przewodów litz; planar z folią daje 0,4‑0,5.
• Dla topologii flyback objętość jest większa (~1,5‑2×), bo rdzeń przenosi energię w pojedynczym uzwojeniu z dodatką szczeliny.

Aspekty etyczne i prawne

• Zgodność termiczna: IEC 62368‑1 wymaga, aby temperatura powierzchni < 130 ℃ lub wg klasy izolacji.
• Materiały zawierające Ni-Zn są objęte przepisami REACH/RoHS – producenci rdzeni podają deklaracje zgodności.

Praktyczne wskazówki

• Nigdy nie projektuj „na styk”; przewymiarowanie rdzenia o 20 % zmniejsza straty i upraszcza chłodzenie.
• Sprawdź dostępność karkasów z odpowiednią liczbą komór i odstępem izolacyjnym (UL F‑140 ℃ min.).
• Wykonaj pomiar rzeczywistego \(B(t)\) za pomocą sondy Rogowskiego lub mostka LCR pod pełnym obciążeniem.

Ewentualne zastrzeżenia lub uwagi dodatkowe

• Powyższe liczby dotyczą pracy ciągłej przy chłodzeniu naturalnym; przy wymuszonym obiegu powietrza można zejść do \(V_e\approx10\ \text{cm}^3\).
• Dławik PFC lub LLC w tym samym zasilaczu nie powinien współdzielić tego rdzenia – wymaga innych materiałów (proszek Fe‑Si, Fe‑Al).

Sugestie dalszych badań

• Analiza porównawcza ferrytów a nanokrystalicznych rdzeni taśmowych przy > 100 kHz.
• Optymalizacja układu uzwojeń (folia vs litz) pod kątem minimalizacji efektu zbliżenia – symulacje 3‑D FEM.
• Badanie wpływu impulsowych szczytów prądu (topologie rezonansowe) na lokalne nasycenie rdzenia.

Krótkie podsumowanie

Efektywna objętość magnetyczna rdzenia ferrytowego potrzebna do przeniesienia 1000 W przy 100 kHz wynosi około 12–15 cm³. Najczęściej wybiera się rdzenie ETD59, PQ50 lub E65 wykonane z niskostratnych materiałów (N87, 3C95). Dobór należy zweryfikować pod kątem strat, temperatury i dostępnego miejsca, pamiętając o zachowaniu marginesu indukcji oraz właściwej konstrukcji uzwojeń.