Потери в сердечнике, возникающие в пульсациях тока понижающего преобразователя

Потери в сердечнике вызваны током, индуцированным в магнитном сердечнике, который фактически представляет собой вторичную обмотку с сопротивлением на ней.

Поскольку напряжение, подаваемое на этот «трансформатор», представляет собой прямоугольную волну, ток и напряжение на сопротивлении сердечника также являются прямоугольными. Если вы уберете наклон, вызванный током, протекающим в нагрузку понижающего преобразователя, то останется эта прямоугольная волна с низкой амплитудой.

Вот симуляция LTspice , показывающая эффект. L2 и R2 представляют собой «вторичную обмотку» сердечника и ее сопротивление (показано как эквивалентный трансформатор 1: 1 - на самом деле это один виток с чрезвычайно низким сопротивлением): -

I(L1) — ток, проходящий через катушку индуктивности. V(n002) — напряжение на сопротивлении сердечника.

Потери могут быть связаны с вихревыми токами. Это происходит из-за изменяющегося магнитного поля, вызывающего протекание тока в проводящих частицах в материале сердечника. Тогда представьте себе крошечные вторичные обмотки на вашем индукторе с резистивными нагрузками. Когда вы прикладываете напряжение к обмотке индуктора, магнитный поток увеличивается и индуцирует ЭДС в обмотке, противодействующую приложенному напряжению. Напряжение также индуцируется в проводящих частях, и течет «вторичный» ток. Поток, создаваемый обмоткой, пропорционален протекающему в ней току. Эти вторичные токи создают собственный поток, уменьшая общий поток в сердечнике. Чтобы поддерживать тот же поток в сердечнике, в обмотке требуется больший ток, чтобы компенсировать влияние потока, наведенного вихревыми токами. Это именно та ситуация, которая была бы у вас, если бы вы намотали вторичку на сердечник дросселя и нагрузили его резистором. Напряжение на этих «вторичных обмотках» пропорционально напряжению на реальной обмотке индуктора, поэтому оно добавляет ток к «первичной обмотке», пропорциональный приложенному напряжению.

Потеря сердечника — это явление перемещения или выравнивания домена. На более низких частотах потери вызваны гистерезисом и пропорциональны площади петли BH. По мере того, как частоты становятся выше, вихревые токи становятся более важными.

Интуитивно имеет смысл думать о потерях в сердечнике как о параллельных индуктору, поскольку индуктор намотан вокруг сердечника. Легко видеть, что для прямоугольного напряжения, управляющего током индуктора, ток, добавляемый в качестве потерь, будет прямоугольной волной (ступенькой) в дополнение к обычному линейному нарастанию-спуску идеального индуктора.

Более физический способ думать об этом — визуализировать путь контура BH по мере того, как ток нарастает, а затем уменьшается. На большей части пути B сильно меняется, а H мало, так как проницаемость ядра высока. Но когда ток разворачивается (начинает снижаться), путь не меняется на противоположный, а разветвляется из-за гистерезиса. Когда он разветвляется, есть период, когда H изменяется сильно, так же или больше, чем B. По сути, проницаемость сердечника низка для этой части пути, поскольку H пропорциональна току обмотки - вот где проявляется скачок тока. Это гораздо более заметно для материалов с квадратной петлей и очень высокой проницаемостью, чем для ферритов.

Вот несколько кривых BH от McLyman в качестве примера:

Вы можете понять, почему этот шаг потери тока в сердечнике трудно увидеть с ферритовыми сердечниками по сравнению с материалами с более высокой проницаемостью. Это особенно трудно увидеть с катушками индуктивности, поскольку они обычно представляют собой сердечники с низкой проницаемостью (с зазором).