Ve vývoji magnetických materiálů se dosahuje významných vylepšení a umění, těchto vlastností využít, vyžaduje elektrotechnické vzdělání z teorie pole a materiálů, a navíc zkušenosti. Vývojáři výkonových obvodů se setkávají na výstavách a workshopech, kde prezentují svoje novinky ti nejlepší výrobci magnetických materiálů a induktivních součástek. 
Jednou z těchto událostí je prestižní konference APEC (Applied Power Electronics Conference), která má letos 35. výročí, právě v době uveřejnění tohoto článku. Je sponzorována řadou profesionálních organizací jako IEEE a obsahuje i fórum Magnetics Info & Resources for the Power Electronics Industry.

Je zajímavé se podívat na vývoj témat, kterým byly konference věnovány:

• APEC 2012 – Trendy snižování vf střídavých ztrát v magnetiku
• APEC 2014 – Jak se magnetické materiály vyrovnávají s pokrokem součástek SiC & GaN?
• APEC 2015 – Nano-Magnetika pro vysoce účinné spínané zdroje
• APEC 2016 – Vysokofrekvenční induktivní součástky
• APEC 2017 – Přenášíme vf magnetika z oblasti mýtů do průmyslu
• APEC 2018 – Návrh vinutí pro vf výkonové induktory
• APEC 2019 – Nové magnetické materiály pro moderní součástky
• APEC 2020 – Inteligentní napájení (IoT), cesty k úsporám, ekodesign

Jedním z významných přispěvatelů této konference je firma Magnetics Inc., nyní dceřinka metalurgického giganta Spang Metals.  Při vývoii výkonových spínaných obvodů v Rystonu preferujeme právě prášková jádra od této firmy a rovněž je distribuujeme na náš trh. Důvodem jsou jejich výtečné vlastnosti a příznivé ceny, hlavně materiálu Kool Mµ. Magnetics pracuje na vývoji dalších slitin (AmoFlux, Xflux) a aplikací a publikuje řadu katalogů a technických bulletinů, které osvětlují jejich výhody a usnadňují jejich použití.

Prášková jádra jsou na špičce vývoje jak metalurgie, tak tvoření vhodných magnetických obvodů. Jsou vyráběna lisováním za studena z práškových slitin s obsahem železa, molybdenu, niklu, hliníku a křemíku, jsou tedy RoHS (ferity se vyrábějí spékáním a železoprachová jádra se lisují s organickým pojivem). Vynikají svými magnetickými a dalšími užitnými vlastnostmi, zejména nízkými ztrátami v širokém rozsahu teplot a kmitočtů.

Kritické porovnání práškových jader Kool Mµ s tradičními materiály

Tradičně se prášková jádra vyrábějí v toroidním tvaru o průměru 6 až 150 mm, nově i jako E, C, UI, planární jádra, tenké toroidy „Thinz“ a přesné „cihly“ a „ovály“ pro sestavování velkých tvarů, podobně jako ferity. Díky výrobní technologii mají vzduchovou mezeru rozloženou v mezerách mezi nano-zrny slitiny s vysokou permeabilitou (permalloy), což je výhodné z důvodu velmi slabého rozptylového pole vně jádra. 
Zajímavá je hodnota maximální indukce, která dosahuje podle materiálu až 2,5 Tesla a umožňuje akumulovat vysokou energii v malém objemu jádra. Tím prášková jádra daleko převyšují běžná feritová jádra se vzduchovou mezerou i železoprachová jádra. 
Prášková jádra našla využití jako výkonové induktory ve spínaných zdrojích a kompenzátorech účiníku (PFC) nebo jako transformátory v měničích typu flyback.

Tvary E umožňují navíjet i složité cívky s použitím kostřiček a dodržet izolační bariéry. Jejich rozměry včetně cívek jsou ke stažení na stránkách výrobce. Toroidní tvar je vhodný hlavně pro induktory s jedním vinutím v jedné vrstvě, často bez kostry.

Firma Magnetics vyrábí v současnosti prášková jádra z materiálů: nejlepší MPP (molybden-permalloy), HIF (High-flux), KoolMµ, nové AmoFlux, Xflux, MAX a letošní novinka Edge (viz odkaz Edge Cores). Nejlevnější, velmi kvalitní a v širokém sortimentu jsou však stále jádra z materiálu Kool Mµ, jimž se budeme v následujícím textu věnovat.

Řady MPP, HIF, Kool Mµ a Xflux se liší předčíslím (55, 58, 77, 78, 79) a materiálovými charakteristikami a hlavně cenou, avšak typy se stejným kmenovým trojčíslím (viz tab. 2) mají shodné rozměry a permeabilitu a další základní vlastnosti. Prefix a postfix pak určují povrchovou úpravu, toleranci a souběh parametrů v dávce (binning).

Jádra Kool Mµ mají příznivou cenu, srovnatelnou se současnými cenami feritových jader, a navíc podstatně nižší ztráty v materiálu, než ferity se vzduchovou mezerou nebo železoprachová jádra, ale v řádu ostatních (dražších) práškových materiálů, a nejširší sortiment tvarů. Další výhodou je poměrně vysoká tepelná vodivost, což umožňuje dobré chlazení jádra.

Stejnosměrná magnetizace

Jádra Kool Mµ jsou dostupná v materiálových variantách s relativními permeabilitami 14 až 125. (MPP až 500). To určuje, spolu s tvarem jádra, charakteristický součinitel AL pro indukčnost z počtu závitů podle vztahu

L = AL * n², kde n je počet závitů.

Nejdůležitějším údajem magnetického materiálu ve výkonové aplikaci je však schopnost chovat se jako induktor, tedy mít permeabilitu, i při superponované stejnosměrné magnetizaci. 
Tuto vlastnost popisuje dobře součin (L * I² )max., tedy maximální povolený součin indukčnosti a kvadrátu celkového proudu induktorem. V tomto porovnání vycházejí prášková jádra o několik řádů lépe, jak uvidíme dále. Toto číslo vlastně charakterizuje energii v magnetickém obvodu induktoru a významem odpovídá součinu   (B x H)max   –  maximální hustotě energie v jádře. Zpravidla, pokud nechceme mít cívku přesytku, musíme volit B při maximálním proudu daleko před nasycením ss magnetizací.

Obr. 2 znázorňuje jevy při nasycení - závislost permeability na stejnosměrné magnetizaci - u feritů a práškových jader. Rozložená vzduchová mezera v jádru Kool Mµ způsobuje hladkou funkci závislosti B-H, bez náhlého nasycení a skokového poklesu, jak je tomu u feritů. V řadě aplikací je pozvolna se měnící (klesající) indukčnost v závislosti na ss magnetizaci spíše žádoucí, neboť zlepšuje účinnost a umožňuje širší rozsah pracovních podmínek. I při požadavku na konstantní proud je měkká závislost indukčnosti na ss magnetizaci výhodná, protože dovoluje krátkodobá přetížení, např. při přechodových dějích při zapnutí nebo náhodném zkratu.

Srovnání práškových jader s ferity s probroušenou mezerou

Jádra Kool Mµ nabízejí, vzhledem k desetinásobnému Bmax, podstatně lepší stejnosměrnou magnetizační charakteristiku než feritová jádra. (Obr. 2). Při obvykle voleném 50% poklesu indukčnosti v pracovním bodě vychází práškové jádro menší až o 35%, a navíc je zde záruka robustnějšího chování díky pozvolnější saturaci materiálu, na rozdíl od ostré saturace feritů. Rozdíl je ještě výraznější při vyšších teplotách (nad 80°C); zatímco ferity ztrácejí rychle magnetické vlastnosti díky Curieově teplotě kolem 120°C, Kool Mµ zůstává prakticky beze změny až k 350°C.

Obr. 3: Pokles Bsat s teplotou u feritů   (Pozn.: převzato z originálu, 1000 Oe = 7,95x10⁴ A m^-1, 10 000 Gaussů = 1 Tesla).

I když ve srovnání s nejlepšími ferity má materiál Kool Mµ poněkud větší ztráty, u feritů často není možno využít nejvyšší počáteční permeabilitu vzhledem k nasycení při velkých proudech. Ferit s vysokou počáteční permeabilitou často musí mít velkou vzduchovou mezeru, což má za následek velké rozptylové ztráty. 
Tento problém je často přehlížen při výběru vhodného materiálu. Jak je zmíněno dále, velká vzduchová mezera způsobí vychýlení toku i mimo prostor mezery, kde protíná i vinutí, v němž vznikají vířivé proudy. 
Feritová E-jádra s probroušeným středním sloupkem mají proti Kool Mµ i některé přednosti. Především je možno probrušováním dosáhnout užší tolerance indukčnosti: probrušovaná jádra mají typickou toleranci indukčnosti ±3%, zatímco lisovaná jádra Kool Mµ mají zpravidla  ±8%.

Dále jsou feritová jádra dostupná v daleko širším sortimentu tvarů, velikostí, od řady výrobců. Ferity jsou vhodnější pro aplikace s malou ss magnetizací vzhledem k vyšší efektivní permeabilitě při malých mezerách. Je to např. u dvojčinných transformátorů nebo induktorů bez ss proudu či proudově kompenzovaných induktorů.

Vlastnosti práškových jader při extrémních teplotách

Jelikož materiál Kool Mµ má Curieovu teplotu kolem 500°C, je použitelný v celém rozsahu teplot od -65°C až do +200°C, což je s rezervou vojenský/kosmický rozsah pracovních teplot. V celém tomto rozsahu jsou magnetické vlastnosti stabilní s mírným maximem okolo +40°C. Na rozdíl od železoprachových jader jsou jádra Kool Mµ vyráběna bez použití organického pojiva. Proto jádra Kool Mµ netrpí degradací a stárnutím či křehnutím, typickým pro železoprachová jádra.

Kool Mµ nemá vyšší ztráty  a zhoršování vf vlastností při rostoucích teplotách, což je nepříznivá vlastnost feritů. Stejně tak, Kool Mµ netrpí výrazným poklesem maximální indukce při vysokých teplotách, která nedovoluje feritům pracovat za všech podmínek s velkými stejnosměrnými proudy.

Obr. 4 : Porovnání induktorů stejné hmotnosti z různých práškových materiálů. Porovnejte ztráty.

Rozptylový tok

Jestliže část magnetického toku prochází prostorem mimo magnetikum, dojde k rozptylu pole. Všechny magnetické součástky mají nějaký rozptyl, přičemž platí, že magnetika s menší relativní permeabilitou (větším magnetickým odporem) mají větší rozptyl.

Feritová jádra s vysokou permeabilitou se často probrušují, aby se díky vzduchové mezeře zabránilo nasycení jádra a snížila se efektivní permeabilita na žádanou hodnotu. Zpravidla se používá jedna poměrně velká mezera ve středním sloupku. Siločáry tak mají velkou vzdálenost na překonání mimo magneticky vodivý materiál, a proto je rozptylový tok rozložen v poměrně velkém okolí vzduchové mezery a zasahuje až do vinutí. Probroušením se sice sníží výsledná permeabilita, ale akumulovaná energie v jádře je stále zhruba stejná. 
Na rozdíl od toho Kool Mµ má „rozloženou“ mezeru, tvořenou póry mezi slisovanými zrny magnetika. Rozptylový tok v každém místě rozložené mezery má krátkou cestu zpět do magnetika, a proto se tak nešíří do okolí jádra. Výsledkem jsou nižší ztráty vířivými proudy ve vinutí. 
Rozptylový tok poněkud zvětšuje efektivní průřez Ae a zmenšuje střední délku siločáry Ls jádra. Proto je na jádře s nižší permeabilitou naměřená indukčnost obvykle vyšší než spočítaná,

Rozptyl je také ovlivněn rozměry a tvarem jádra. Empiricky ověřeno, obecně u E jádra platí, že jádro s větší délkou závitu bude mít větší rozptyl než jádro s kratší délkou závitu. Rovněž platí, že jádro s objemnějším vinutím bude mít větší rozptyl než menší vinutí. K těmto poznatkům bylo přihlédnuto při tvorbě nomogramu pro výběr nejvhodnějšího jádra.

Kool Mµ versus železoprachová jádra (Iron Powder) – střídavé vlastnosti

Materiál Kool Mµ (kompozice Al, Si, Fe) má velmi podobné stejnosměrné magnetizační charakteristiky jako železoprachová jádra (kompozice čistého železa). Výhoda materiálu Kool Mµ spočívá v podstatně nižších vf ztrátách v jádře a tím ve vyšších použitelných kmitočtech.

Výkonový induktor (s proudem) spínaného regulátoru „vidí“ superponovaný stejnosměrný proud a střídavou složku. Typická frekvence je v rozsahu 10 kHz až 3 MHz. Tato střídavá složka proudu generuje střídavé magnetické pole, které vytváří v jádře ztráty vířivými proudy (vodivostí) a hysterezí (smyčky B-H), a jádro se zahřívá. Jak ukazuje Obr. 5, i práškový materiál (HiFlux) má ztráty závislé na kmitočtu. Proto je volba materiálu kompromisem mezi požadavky na ss střídavé vlastnosti (a také cenu).

Kool Mµ má oproti železoprachu mnohem nižší ztráty díky nano-zrnům a velmi malé hysterezi. Dále má Kool Mµ téměř nulovou magnetostrikci, což eliminuje slyšitelné akustické rušení, typické pro železoprachová jádra (ale rovněž ferity a lamináty Si-Fe) při provozu v oblasti 20Hz až 20kHz.

Na Obr. 5 je graf ztrát v magnetiku při různých kmitočtech pro materiál HiFlux, kde je závislost nejmarkantnější.

Vnější rozptylové pole a tvar jádra

Tvar jádra ovlivňuje vnější rozptylové pole. Jádro tvaru E, kde většina vinutí je skryta v jádře, má větší vnější rozptylové pole než například toroidní tvar, kde naopak vinutí ukrývá jádro. Proto u EE sestav i z materiálu Kool Mµ by mělo být vnější rozptylové pole uvažováno.

Jedním důsledkem je, že E-jádra Kool Mµ se nesmějí stahovat kovovými svorníky (běžné u feritů), protože rozptylový tok by se soustřeďoval v těchto částech a zvětšoval ztráty. Dalším důsledkem je, že při použití součástek s E-jádrem Kool Mµ musí být pečlivě navržen plošný spoj a součástky citlivé na rozptylové pole mají být umístěny daleko od jádra, podobně jako je tomu u feritů se vzduchovou mezerou.

Montážní prvky

Pro každou velikost Kool Mµ E-jádra (2 kusy na sadu) je od výrobce k dispozici svislá kostřička pro montáž na plošný spoj či bezvývodová. Typy jsou uvedeny v Tab. 3, detaily jsou v katalogu Magnetics Kool Mµ E-Cores, který je možno stáhnout z webu www.mag-inc.com. Jelikož jádra jsou vyráběna ve standardních velikostech, je možno použít i standardní kostry různých výrobců. 
Jádro E, složené ze dvou polovin, může být také sestaveno slepením styčných ploch vhodným lepidlem a ovinutím sestavy fixační páskou. Sestavená cívka nebo transformátor se k plošnému spoji může i přilepit. 
V budoucnu bude sortiment E-jader Kool Mµ dále rozšiřován. Montážní materiál pro všechny nové typy bude rovněž k dispozici. Informace mů.ete získat na dále uvedených adresách firmy Magnetics nebo u jejích distributorů.

Volba jádra

Obr. 6   Nomogramy pro výběr jádra podle LI²  

Uvedený nomogram slouží k rychlé orientaci pro výběr optimální permeability a nejmenšího použitelného jádra pro aplikace se stejnosměrnou složkou. Graf vychází z pravidla, že při daném ss proudu smí permeabilita poklesnout o maximálně 50%, z odhadu činitele plnění vinutí 50 až 80% průřezu kostry a z předpokladu, že střídavá složka je relativně malá vůči stejnosměrné složce. Dále je uvažován požadavek minimální tolerance indukčnosti při zvolené velikosti a permeabilitě jádra. Jestliže střídavá složka je relativně velká, jako je tomu například u flyback induktorů, doporučuje se zvolit o hodnotu větší velikost jádra, než jaká vyjde z grafu. Tím se sníží střídavá složka indukce v jádře a doprovodné nepříznivé efekty, zejména ztráty.

Závěr

Snad se tímto článkem podařilo odstranit některé mýty a pověry. Návrh induktoru není žádná magie, ale věda a zkušenost, a trochu umění. Pokud Vám nestačí katalogový induktor od standardního dodavatele, zkuste si cívku navrhnout sami podle průvodce Kuchařka pro výběr jádra do Vaší aplikace a výpočet cívky, ale nezapomeňte si ji prakticky ověřit. Vzorky práškových jader i skladové položky najdete ve firmě  www.ryston.cz   

Odkazy: 
Electronic Design Magazine,  www.electronic-design.com 
Bodo´s Power Systems Magazine,  www.bodospower.com 
Materiály firmy Magnetics, www.mag-inc.com