Hakkuriteholähteissä käytettävien magneettisten materiaalien vertailu

Abstract

Magneettiset komponentit ovat keskeisessä osassa hakkuriteholähteiden toimintaa. Magneettisen komponentin sydänmateriaalin oikea valinta on tärkeää komponentissa syntyvien tehohäviöiden minimoimiseksi. Tämä kandidaatintyö käsittelee hakkuriteholähteissä käytettäviä magneettisia materiaaleja. Työssä perehdytään magneettisten komponenttien taustalla olevaan teoriaan sekä komponenteissa syntyvien häviöiden syntymekanismien perusteisiin. Lisäksi työssä käydään läpi magneettisilta komponenteilta vaadittavat ominaisuudet sekä esitetään yleisimmin käytössä olevat magneettiset materiaalit ja niiden ominaisuudet. Lopuksi materiaaleille esitetään soveltuvimmat käyttökohteet ja materiaaleja vertaillaan lyhyesti.

Magneettiset komponentit ovat hakkuriteholähteiden suurimpia komponentteja. Hakkuriteholähteen kytkentätaajuuden kasvattaminen mahdollistaa magneettisten komponenttien koon pienentämisen. Kytkentätaajuuden kasvaessa kasvavat magneettisen komponentin käämityksessä muodostuvat häviöt sekä sydänmateriaalissa muodostuvat sydänhäviöt. Käämityksen häviöhin vaikuttavia tekijöitä ovat käämilangan resistanssi, virranahto sekä lähivaikutus. Sydänhäviöt koostuvat pyörrevirta-, hystereesi- ja lisähäviöistä.

Hakkuriteholähteissä käytettävät magneettiset materiaalit ovat magneettisesti pehmeitä ferromagneettisia materiaaleja. Sydänmateriaalien ominaisuudet ovat riippuvaisia muun muassa taajuudesta, ulkoisen magneettikentän voimakkuudesta ja lämpötilasta. Sydänmateriaalissa esiintyvällä ilmavälillä voidaan kasvattaa sydämen energian varastoimiskykyä. Ilmaväli mahdollistaa käämityksessä kulkevan virran kasvattamisen ilman että sydänmateriaali saturoituu eli kyllästyy. Sydänmateriaalin saturoituessa sydämen permeabiliteetti pienenee ja komponentin induktanssin arvo romahtaa.

Suurilla taajuuksilla ferriitit ovat suosituimpia muuntajamateriaaleja, koska ferriittien suuren resistiivisyyden takia sydämeen syntyvät pyörrevirrat ovat pieniä. Kuristimet ja flyback-muuntajat edellyttävät energian varastoitumista, joten niissä suositaan jauhemaisia ilmavälillisiä materiaaleja. Nanokiteiset materiaalit soveltuvat hyvin sähkömagneettisten häiriöiden suodatuksessa käytettäviin EMI-suodattimiin. Amorfiset materiaalit ovat muuntajamateriaaleina korkeilla taajuuksilla usein liian häviöllisiä, jolloin ferriitit ovat usein parempi vaihtoehto. Rautasydämien käyttöä korkeilla taajuuksilla rajoittavat materiaalissa syntyvät pyörrevirtahäviöt.