Необходимость в стандартизации измерений номинального тока.

ВВЕДЕНИЕ

Несмотря на усилия некоторых производителей пассивных магнитных компонентов, понятие номинального тока продолжает оставаться предметом разногласий в индустрии силовой электроники. Производители все еще не пришли к единому мнению о том, как указывать этот параметр и как его использовать при разработке приложений. Это абсолютный параметр? можно ли напрямую сравнивать значения номинального тока, заявленные разными производителями? На оба этих вопроса дается одинаковый отрицательный ответ. Некоторые производители пользуются недостаточно четким представлением о методе измерения номинального тока, чтобы представить полученные результаты в наиболее выигрышном свете.

Рабочая температура силового дросселя - важный параметр в любом приложении. Такие электрические параметры как индуктивность и, следовательно, насыщение сердечника, могут значительно меняться в заданном диапазоне температуры. Рабочая температура дросселя определяется самонагревом и температурой окружающей среды согласно уравнению (1):

где T - рабочая температура дросселя;
T_Amb - температура окружающей среды;
ДТ - повышение температуры в результате самонагрева компонента.

Самонагрев возникает в результате генерации тепла дросселем при прохождении через него тока. В приложении с импульсным источником питания потери происходят при протекании постоянного и переменного тока. Их величина в значительной мере зависит от условий эксплуатации импульсного источника питания, к которым относится частота переключений и коэффициент заполнения. Чтобы упростить процесс измерения выделяемого тепла в результате самонагрева компонента, учитываются только потери постоянного тока в меди в соответствии с уравнением (2):

где P_DCLoss - потери в медной обмотке дросселя, Вт;
I (A) - ток дросселя; R_DC - его сопротивление, Ом. Из этого уравнения ясно, что компоненты с более высокими значениями R_DC генерируют больше тепла при том же токе.

Тепло, образующееся из-за потерь в меди, поступает на проводники печатной платы через контактные площадки для пайки и в сердечник, где рассеивается путем конвекции и излучения в окружающее воздушное пространство. Температура компонента, через который проходит ток, повышается, пока не достигается равновесие между тепловыделением и отводом тепла. Способность компонента рассеивать тепло определяется его тепловым сопротивлением согласно уравнению (3):

где Ɵ_WA - тепловое сопротивление между обмоткой и окружающей средой. Хотя эта формула учитывает только постоянный ток, она все же дает представление о том, насколько хорошо компонент рассеивает тепло. Более подробную информацию с учетом особенностей конечного приложения можно получить с помощью онлайн-инструмента REDEXPERT, который точно рассчитывает потери и повышение температуры с учетом конкретных условий эксплуатации импульсного источника питания.

На данном этапе требуется уточнить терминологию и принципы, касающиеся электрических и тепловых параметров. Расчет тепловых параметров во многом схож с расчетом электрических параметров с использованием закона Ома (4) и ньютоновского закона охлаждения (5). По этой причине тепловые параметры рассчитываются аналогично (см. рис. 1):

Рис. 2. Визуализация трактов теплопередачи в упрощенной модели силового дросселя. Тепло распределяется между двумя контактными площадками (Ɵ_WP1 и Ɵ_WP2)

Поскольку тепло распространяется по теплопроводящим трактам, как электрический ток - по проводникам, для описания тепловыделения по аналогии с током обычно используется его источник. величина теплового потока, как и падение напряжения на проводнике, ограничивается про-водящими/резистивными свойствами материала, поперечным сечением проводника и длиной тракта. Это в равной степени верно и для разницы температур между двумя теплопроводящими трактами. в простой модели дросселя тепло передается двумя способами: через обмотку на контактную площадку и через сердечник на его внешнюю поверхность (см. рис. 2).

На рисунке 2 Ɵ_WC - тепловое сопротивление между обмоткой и поверхностью сердечника, а Ɵ_WP - между обмоткой и контактной площадкой.

Однако следует учитывать также эффективность теплового заземления. Чем ниже температура окружающей среды, тем больше перепад температур и тепловой поток. У дросселя, установленного на печатной плате, площадь поверхности сердечника и размер проводника печатной платы наряду с его поверхностной площадью представляют собой тепловые сопротивления между схемой теплопередачи и тепловым заземлением. Таким образом определяется полная, но упрощенная тепловая модель силового дросселя (см. рис. 3).

Рис. 3. Эквивалентная тепловая модель силового дросселя

На рисунке 3 Ɵ_СА обозначает тепловое сопротивление между поверхностью сердечника и окружающей средой, Ɵ_PT представляет собой тепловое сопротивление между контактной площадкой и проводником, а Ɵ_TA - тепловое сопротивление между проводником и окружающей средой. Эта эквивалентная схема теплопередачи, по сути, состоит из параллельных резисторов и ряда делителей напряжения. Если одно значение сопротивления изменится, изменится поток тепла («ток»), что приведет к изменению температуры («напряжения») в разных частях цепи.

Рассмотрим возможность увеличения размера компонента, сохранив при этом неизменными все остальные параметры. Величина Ɵ_CA значительно снизится, в результате чего увеличится количество тепла, распространяющегося от обмотки через сердечник в окружающую среду, и уменьшится тепловой поток через контактную площадку в проводники и окружающую среду. Как правило, это обычно наблюдается при использовании силовых дросселей большего размера, которые передают большее количество тепла воздуху. В то же время дроссели меньшего размера с меньшей площадью поверхности отдают большую часть тепла печатной плате. Увеличение толщины обмотки позволит уменьшить тепловое сопротивление между обмоткой и проводниками.

В результате количество тепла между обмоткой и поверхностью сердечника уменьшится, и больше тепла поступит в проводники печатной платы. Так обычно происходит в дросселях с более толстой обмоткой в приложениях с более высокими токами. Следовательно, при использовании более толстой проволоки саморазогрев уменьшается, а теплоотдача возрастает.

В обоих рассмотренных случаях облегчается отток тепла от обмотки в окружающую среду, что снижает саморазогрев компонентов. Это значит, что они могут работать при более высоких токах, чем дроссели меньшего размера с обмотками меньшего диаметра.

ИЗМЕРЕНИЕ НОМИНАЛЬНОГО ТОКА

В методе измерения номинального тока постоянный ток пропускается через дроссель, после чего измеряется его самая разогретая часть, а затем разность между установившейся температурой и температурой окружающей среды. Для построения зависимости между постоянным током и установившейся температурой его пошагово увеличивают с некоторого минимального значения. Однако особенности этого метода могут значительно повлиять на результат измерения.

Принудительное охлаждение (конвекция) компонента уменьшает величину Ɵ_CA, увеличивая количество рассеиваемого тепла, что, в свою очередь, увеличивает номинальный ток. Из-за того, что некоторые производители не сообщают об использовании принудительного воздушного охлаждения при измерении номинального тока, некорректно сравнивать более высокие значения номинального тока со значениями этого параметра, представленными другими производителями.

Еще одним фактором, влияющим на повышение температуры дросселя, являются размеры проводников печатной платы. Как следует из примера с обмоткой, большая площадь поперечного сечения снижает тепловое сопротивление. То же относится и к размерам проводников печатной платы. Более широкие проводники и сравнительно большая толщина меди уменьшают величину Ɵ_PT, увеличивая поток отводимого тепла от дросселя. Снижается также величина Ɵ_TA, поскольку в результате увеличения площади поверхности проводника возрастает конвекция тепла и его излучение в окружающую среду. Эта информация тоже часто не указывается в технических описаниях, не позволяя получить четкое представление о тепловом сопротивлении.

НЕОБХОДИМОСТЬ В СТАНДАРТИЗАЦИИ НОМИНАЛЬНОГО ТОКА

Приведенные примеры показывают, что значениями номинального тока можно управлять так, чтобы обеспечить требуемые тепловые характеристики и высокий КПД. В некоторых случаях, однако, разработчик не имеет возможности сопоставить данные из технических описаний. Полупроводниковая отрасль столкнулась с этой проблемой несколько десятилетий назад, когда инженерам стало трудно напрямую сравнивать характеристики ИС. В итоге было решено стандартизировать процедуры измерения и форму отчетов о тепловых характеристиках. Благодаря стандартизации результаты измерения тепловых характеристик стало невозможно изменять по собственному усмотрению с маркетинговыми целями. Однако из-за разнообразия форм силовых дросселей потребовалось несколько лет, прежде чем стала очевидной потребность в стандартизации номинального тока.

КАК КОМПАНИЯ WE ИЗМЕРЯЕТ НОМИНАЛЬНЫЙ ТОК СИЛОВЫХ ДРОССЕЛЕЙ?

Компания Würth Elektronik (WE) предоставляет полную информацию об используемых процедурах измерения и, в частности, данные о влиянии номинального тока I_R на повышение температуры силовых дросселей. Применяемый метод основан на требованиях раздела 6 стандарта IEC 62024-2: 2020. Тестируемая печатная плата помещается в коробку размерами примерно 20x20 см. Плата не контактирует непосредственно с ее стенками и испытывает воздействие только естественной, а не принудительной конвекции. Метод измерения Würth Elektronik отличается от стандартного тем, что вместо термопары, вызывающей ошибку измерения, используется инфракрасная камера. Измеряется самая горячая внешняя область магнитного сердечника. Через образец пропускается ток; при этом температура стабилизируется со скоростью менее 1°С в минуту.

Таблица 1. Величина номинального тока в проводниках на печатных платах Class A

Рис. 4. Параметры печатных плат, используемых для измерения номинального тока

В измерениях использовалось несколько печатных плат, поскольку в ассортимент изделий Würth Elektronik входят компоненты разных размеров и типов исполнения. В основном, эти компоненты соответствуют требованиям раздела 6.3 упомянутого стандарта (см. рис. 4). У печатных плат IEC I_{Class A} ширина проводника зависит от величины номинального тока (см. табл. 1).

Независимо от используемой печатной платы следует понимать, какие значения номинального тока фактически представлены в техническом описании. Они не являются абсолютными и могут применяться в любом приложении. Эти значения позволяют составить приблизительное представление об используемом диапазоне тока и сравнить их с параметрами других силовых дросселей. На тепловые характеристики силового дросселя влияет так много факторов, что невозможно в точности охарактеризовать его поведение в конечном приложении. В таких случаях точное знание о методике измерения является чрезвычайно полезным для проектирования. Когда известны все параметры, использованные в измерениях, исключается возможность манипуляции значениями номинального тока, что обеспечивает прозрачность и непротиворечивость данных, представленных в техническом описании.

СРАВНЕНИЕ ДРОССЕЛЕЙ

Давайте сравним силовой дроссель Würth Elektronik eiSos семейства WE-LHMI (744 373 460 68) с силовым дросселем аналогичной конструкции от конкурента. Сравним также дроссель серии WE-XHMI (744 3 93 46 1 00) с аналогом от другого производителя.

Примечательно, что номинальные токи в технических описаниях сравниваемых аналогов выше, хотя у этих компонентов больше R_dc, чем у компонентов WE (см. табл. 2). Измеренный номинальный ток обоих дросселей мы сравнили с помощью измерительной установки IEC 62024-2:2020. В каждом сравнительном измерении использовалась одна и та же установка, один и тот же метод контактирования и плата. Сравнивались значения тока I_{Class C} силового дросселя WE-LHMI и его аналога, а также значения тока I_{Class D} компонента WE-XHMI и его аналога.

Температура обоих дросселей измерялась тепловизионной камерой. На тестовые платы подавался постоянный ток, пока температура дросселя не достигла 65°C, что на 40 K выше температуры окружающей среды 25°C (см. рис. 5-6). Несмотря на большее значение номинального тока в техническом описании, ток, при котором дроссель нагревается на 40°C, у компонента 7030 составил 4,4 А, а у дросселя WE-LHMI - 4,45 А (см. рис. 7). Этот ток I_{Class C} измерялся на одной и той же печатной плате. ток нагрева WE-XHMI составил 6,6 а, а у конкурирующего компонента 6060-6,4 А (см. рис. 8) при измерении на печатной плате Class D. Заметим, что небольшие отклонения на кривой самонагрева могут быть вызваны допусками на параметры компонентов, особенно в случае с R_DC, и могут возникать даже при сравнении дросселей одинаковой конструкции из одной серии от одного производителя.

Использование шин, радиаторов и принудительной конвекции повышает величину рассеиваемого тепла. Об этом следует помнить при сравнении номинальных значений тока и выборе компонентов для прототипирования.

Таблица 2. Сравнение параметров из технических описаний силовых дросселей WE и аналога от другого производителя

Рис. 5. Тепловизионные изображения компонентов WE-LHMI 744 373 460 68 (вверху) и 7030 (внизу)

Рис. 6. Тепловизионные изображения компонентов WE-XHMI 744 393 46 100 (вверху) и 6060 (внизу)

Рис. 7. Сравнение самонагрева WE-LHMI 744 373 460 68 (красная кривая) с аналогом 7030 от другого производителя (черная)

Рис. 8. Сравнение самонагрева WE-XHMI 744 393 46 100 (красная кривая) с аналогом 6060 от другого производителя (черная)

СКОРРЕКТИРОВАННЫЙ НОМИНАЛЬНЫЙ ТОК

В технических описаниях некоторых силовых дросселей может указываться дополнительный показатель - скорректированный номинальный ток I_RP. Он измеряется на печатных платах Class C или Class D. Печатные платы большей площади и толщины позволяют увеличить рассеиваемое тепло, а значит, повысить значения номинального тока. По сути, проводники большей площади и толщины воспроизводят эффект использования многослойных плат, радиаторов и принудительной конвекции, что особенно востребовано в автомобильных и электромобильных приложениях.

Номинальный ток дросселя WE-LHMI (744 373460 68) на устаревшей модели печатной платы WE равен 3,4 A (см. рис. 9а-10а), а скорректированное значение номинального тока IClass C -4,45 A (см. рис. 9г-10г). Использование проводника шириной 5 мм при номинальном токе приводит к повышению температуры на 49 К (см. рис. 9б-10б), что хорошо согласуется с заданным диапазоном рабочей температуры дросселя. В приложении с принудительным охлаждением использование одного и того же дросселя на той же печатной плате при том же токе влечет за собой повышение температуры на 19,5 K (см. рис. 9в-10в). Хотя во многих приложениях такое повышение считается приемлемым, это значение можно безболезненно увеличить. При прохождении скорректированного номинального тока величиной 4,45 А по дросселю с проводником шириной 5 мм и принудительной конвекцией повышение температуры составило 34 к.

Рис. 9. Сравнение самонагрева дросселя WE-LHMI 744 373 460 68 на разных печатных платах и в разных условиях: ток I_R дросселя WE-LHMI на устаревшей печатной плате WE (черный); ток I_RP дросселя WE-LHMI на печатной плате I_{Class C} (красный); ток дросселя WE-LHMI при ширине проводника 5 мм (синий); ток дросселя WE-LHMI при ширине проводника 5 мм и принудительной конвекции (синий курсив); постоянный ток I_SAT магнитного насыщения дросселя WE-LHMI (серый)

Рис. 10. Тепловизионные изображения дросселя WE-LHMI 744 373 460 68 на разных печатных платах и в разных условиях эксплуатации

Это сравнение показывает, как скорректированный номинальный ток I_RP имитирует условия эксплуатации, в которых реализуются методы терморегулирования. действительно, в этом сценарии дроссель способен работать при еще более высоких токах, пока падение его индуктивности ниже падения индуктивности при токе насыщения Isat, допускаемого конкретным приложением. кроме того, значения I_R и I_RP можно сравнивать и руководствоваться ими при выборе дросселей перед созданием прототипа. заметим, это основные параметры, учитывающие только постоянный ток в отсутствие других тепловыделяющих элементов на печатной плате. На практике также учитываются потери по переменному току и тепловое воздействие окружающих компонентов. Фактическое повышение температуры в конечных приложениях значительно варьируется в зависимости от условий эксплуатации.

выводы

Значения номинального тока, указанные в технических описаниях, служат руководством при выборе силовых дросселей. На повышение температуры этих компонентов могут влиять многие факторы, которые не всегда указываются в техописаниях всеми производителями, создавая искаженное представление о том, что на самом деле представляют собой значения номинального тока.

Измерение и сравнение параметров конкурирующих аналогов показывает, что большие различия в значениях номинальных токов, взятых из техописаний, нивелируются при использовании стандарта IEC 62024-2: 2020. Сравнение характеристик дросселя в разных условиях эксплуатации демонстрирует, как используются параметры I_R и I_RP для калибровки рабочих параметров дросселя на практике.

Компания Würth Elektronik eiSos, которая одна из первых внедрила стандарт IEC 62024-2:2020, задает новый уровень доверия и прозрачности в представлении значений номинального тока силовых дросселей, исключая возможность манипулировать этими данными или неправильно их интерпретировать при измерениях или составлении отчетов.

Опубликовано в журнале "Электронные Компоненты",  №10, 2021

Подробнее:

WE-LHMI           

WE-XHMI            

REDEXPERT (онлайн-платформа для выбора компонентов и моделирования)