Определение производительности планарных магнитных компонентов

Планарные магнитные компоненты состоят из ферритового магнитного сердечника и множества проводящих/изоляционных слоёв. При разработке таких изделий имеют место затруднения с определением теплового состояния устройств, что обычно проверяется итеративно на опытных образцах. Это связано со сложностями правильного определения потерь в обмотках и сердечнике с учётом трехмерного магнитного поля, частотно- и температурно-зависимых свойств материалов. Компьютерное моделирование, с учетом температурно- и частотно-зависимых свойств, значительно облегчает разработку планарных магнитных устройств, позволяет на раннем этапе иметь точное представление о будущем изделии. Кроме того, после того, как во всем устройстве будет достигнуто установившееся тепловое состояние, может быть создана частотно-зависимая модель для моделирования системного уровня, точно отображающая реальное устройство.  
ANSYS позволяет проектировать, моделировать и оптимизировать плоские магнитные компоненты без необходимости проведения натурных экспериментов. В этой статье описывается, как программные средства ANSYS используются для автоматической настройки и решения двухсторонней связанной магнитотермической задачи, используя настраиваемый интерфейс в комплекте с библиотеками производителей. Этот пример основан на общедоступной публикации Ferroxcube.

Модули ANSYS

ANSYS обеспечивает полноценное решение для плоских трансформаторов, работающих в диапазоне 10кГц - 10МГц, включая магнитный и тепловой анализ, оценку производительности системы. В зависимости от предпочтений, могут использоваться различные продукты: ANSYS Maxwell, ANSYS Mechanical или ANSYS IcePak. Блок схема решений ANSYS для планарных компонентов показана на рисунке 1.

Рисунок 1. Блок схема ANSYS для решения задач планарных магнитных компонентов с учётом двусторонней тепловой связи. Созданные модели используются в моделировании системного уровня.

Описание задачи

Для анализа трансформатора с ферритовым сердечником использовалась комбинация модулей ANSYS. ANSYS PEmag для автоматического создания геометрической модели, ANSYS Maxwell 3D для выполнения магнитного анализа, ANSYS Mechanical и ANSYS IcePak для решения двусторонней тепловой задачи, ANSYS Simplorer для моделирования системного уровня с учётом потерь и эффективности.

Моделируемый DC-DC прямоходовый преобразователь имеет следующие характеристики:

• Несколько входных – выходных напряжений: 48-5V, 48-3.3V, 24-5V, 24-3.3V
• Частота преобразования: 500kHz
• Выходная мощность: 18W
• Коэффициент заполнения: 0.46
• Сердечник: Ferrocube E-E14 с ферритом 3F3
• Температура окружающей среды: 40 С

4 обмотки трансформатора расположены в 8 слоях, общее количество витков 38, что схематично изображено на рисунке 2.

Рисунок 2. 18W, 500kHz DC-DC прямоходовый преобразователь.

Для этого примера, посредством последовательных и параллельных соединений обмоток, было изменено соотношение напряжений. В случае 24-5V наблюдается самая высокая плотностьтока. Схематическое и физическое расположение обмоток показаны на рисунке 3.

Рисунок 3. Схема соединения обмоток. Физическое расположение первичных и вторичных обмоток.

Моделирование электромагнитного поля

Трехмерные и двумерные геометрические модели для FEA моделирования были созданы используя инструмент PEmag, поставляемый с ANSYS Maxwell, основываясь на пользовательских данных и библиотеках производителей. Библиотеки включают сердечники, проводники, изоляторы и свойства материалов. Схема PEmag, размеры сердечника и проводников показаны на рисункае 4. Модели Maxwell 2D и Maxwell 3D были созданы автоматически из PEmag.

Рисунок 4. Схема PEmag, размеры сердечника и проводников.

В настройки проекта ANSYS Maxwell вносятся изменения по мере необходимости: включены температурно-зависимые свойства для материалов сердечника и проводников. Добавляются температурно-зависимые свойства проводимости меди, магнитной проницаемости феррита, частотно-зависимые свойства феррита (рисунок 5), коэффициенты для определения потерь в феррите (рисунок 6)

Рисунок 5. Температурно-зависимые свойства проводимости меди, магнитной проницаемости феррита, частотно-зависимые свойства феррита.

Рисунок 6. Коэффициенты для определения потерь в феррите.

Как правило, плоские магнитные компоненты используют схему переключения для работы. Это может быть реализовано как в Maxwell 2D / 3D с использованием Maxwell Circuit Editor, так и путем связки нестационарной задачи с ANSYS Simplorer. В этом примере используется синусоидальное возбуждение источником напряжения в решателе 3D-eddy current и источник напряжения ШИМ 500 кГц с коэффициентом заполнения 0.48 в решателе Maxwell 2D-transient (рисунок 7).

Рисунок 7. Схемы, подлюченные к гармонической и нестационарной задаче в ANSYS Maxwell.

Для решения нестационарной задачи используется метод декомпозиции шкалы времени (TDM), параллельное решение отдельных временных отрезков в единицу реального времени позволяет сократить время вычисления до 20 раз. Таким образом время решения задачи в ANSYS Maxwell 3D было сокращено 2.6 дней до 3 часов (рисунок 8).

Рисунок 8. Использование метода параллельного решения нестационарной задачи TDM значительно ускоряет решение.

Вычисленные результаты потерь и форма выходного напряжения из решения Maxwell 2D Transient, результаты плотности магнитного потока и плотности потерь в сердечнике из решения ANSYS Maxwell 3D Eddy Current показаны на рисунке 9. Частотно-зависимые сопротивление и индуктивность используются для создания модели пониженного порядка (ROM) для ANSYS Simplorer (рисунок 10). Усреднённые потери в сердечнике и обмотках из решения 3D Eddy Current используются для связанной тепловой задачи с использованием ANSYS IcePak и ANSYS Thermal.

Рисунок 9. Потери и форма выходного напряжения из решения Maxwell 2D Transient. Плотность магнитного потока и плотности потерь в сердечнике из решения ANSYS Maxwell 3D Eddy Current.

Рисунок 10. Частотно-зависимые сопротивление и индуктивность.

Моделирование теплообмена

Пространственно-распределённая плотность потерь из ANSYS Maxwell напрямую связана по-отдельности с ANSYS Mechanical Thermal и ANYSS IcePak с использованием ANSYS Workbench (рисунок 11). Необходимо обеспечить подробную дискретизацию геометрической модели для точной интерполяции объёмного тепловыделения с сеточной модели ANSYS Maxwell на сеточную модель ANSYS Mechanical Thermal и температуры в обратном направлении. Итератор обратной связи позволяет в автоматическом режиме осуществлять пересчёт связанной магнитной и тепловой задач до тех пор, пока значения дельты температуры в ANSYS Maxwell не будут ниже указанного максимума, например, 5C. Для решения тепловой задачи в ANSYS Mechanical пользователю необходимо задать граничные условия конвекции. ANSYS IcePak, напротив, определяет соответствующее охлаждение только на основании заданного направления действия силы тяжести, что гораздо удобнее для задач с воздушным охлаждением, где сложно подобрать и правильно задать коэффициенты конвекции.

Рисунок 11. Проект ANSYS Maxwell напрямую связан с ANSYS Mechanical Thermal и ANSYS IcePak с использованием ANSYS Workbench.

В обоих случаях решение сходится за 4 итерации. Для синусоидального возбуждения проводились замеры температуры 32С + 40С (температура окружающей среды) = 72С. Результаты моделирования: ANSYS Mechanical с предполагаемыми коэффициентами конвекции 82.9С, ANSYS IcePak с учётом движения воздушных масс в явном виде 73. 5C (рисунок 12).

Рисунок 12. Тепловое состояние трансформатора при синусоидальном возбуждении Слева ANSYS Mechanical, справа ANSYS IcePak.

Моделирование системного уровня

Для моделирования системного уровня используется ANSYS Simplorer, в который импортируются модели пониженного порядка ROM импеданса и ёмкости трансформатора, к которым подключаются дополнительные элементы: источник напряжения, резисторы, индуктивности, ёмкости, MOSFET, диоды и ваттметр (рисунок 13).  

Рисунок 13. Модель конвертера системного уровня в ANSYS Simplorer.

Для определения наилучшей производительности в модель вводятся параметры: входное напряжение, частота преобразования, коэффициент заполнения, сопротивление нагрузки, параметры полупроводников. Частотно-зависимые модели пониженного порядка дают корректные результаты во всём диапазоне частот, который указывался при их создании, и позволяют проводить параметрические и оптимизационные расчёты в минимальное количество времени. В результате, производительность системы оценивалась по входной и выходной мощности: трансформатор отдельно 93.8%, 91.5% конвертер с исключённым MOSFET, 87% для конвертера со всеми компонентами.  Графики установившейся мощности и выходного напряжения представлены на рисунке 14.

Рисунок 14. Графики установившейся мощности и выходного напряжения.

Заключение

Модули ANSYS для разработки планарных магнитных компонентов обеспечивают точное решение для планарных трансформаторов в диапазоне частот 10кГц - 10МГц, включая моделирование электромагнитного поля, охлаждение и оценку производительности системы. В этой обзорной статье был рассмотрен пример оценки производительности конвертера, рассматривался плоский трансформатор в модели системного уровня. Использовались: PEmag для создания геометрической модели, ANSYS Maxwell 3D/2D для анализа магнитного поля, ANSYS Mechanical и ANSYS IcePak для связанного электромагнитного – теплового расчёта с коэффициентами конвекции и с учетом движения воздушных масс в явном виде соответственно, ANSYS Simplorer для моделирования системного уровня конвертера, где учитываются потери и оценивается КПД. Конечная эффективность конвертера - 87 процентов, значения температуры были в пределах 3 процентов от опубликованных результатов.  

По материалам:

Design of Planar Transformers, Application Note, Ferroxcube, May 1997.