کاربردها و کاربردهای هسته های نانوبلوری در الکترونیک قدرت

هسته نانو کریستالی چیست؟

یک هسته نانوکریستالی یک جزء مغناطیسی نرم است که از آلیاژی مبتنی بر آهن- تولید می‌شود که ابتدا به‌صورت یک نوار آمورف با انجماد سریع ریخته می‌شود و سپس آنیل می‌شود تا یک ساختار کریستالی ظریف با اندازه دانه‌های حدود 10 تا 30 نانومتر ایجاد شود. ماده به دست آمده اشباع بالای آلیاژهای کریستالی را با تلفات کم آلیاژهای آمورف ترکیب می کند، که آن را به یکی از کارآمدترین مواد مغناطیسی نرم موجود برای الکترونیک با توان متوسط- و-بالا تبدیل می کند.

خواص کلیدی مغناطیسی

نفوذپذیری بالا: نفوذپذیری اولیه معمولاً در محدوده ده‌ها هزار نفر است که امکان جریان مغناطیسی کوچک و طرح‌های سیم پیچ فشرده را فراهم می‌کند.

القای اشباع بالا: حدود 1.2 - 1.25 T، بسیار بالاتر از فریت، بنابراین یک مقطع کوچک‌تر-می‌تواند شار مشابهی داشته باشد.

تلفات هسته کم: تلفات هیسترزیس و جریان گردابی در فرکانس های بالای 1 کیلوهرتز بسیار کمتر از فولاد سیلیکونی است که باعث بهبود کارایی و کاهش گرما می شود.

دمای کوری بالا: بالاتر از 500 درجه برای گریدهای معمولی مبتنی بر آهن-، بنابراین عملکرد مغناطیسی در تمام محدوده عملیاتی الکترونیک قدرت پایدار است.

اجبار کم: هسته به راحتی مغناطیسی و غیر مغناطیسی می شود و قدرت درایو و اعوجاج را کاهش می دهد.

برنامه های کاربردی اصلی

هسته‌های نانوکریستالی در هر جایی که اندازه، کارایی و تداخل کم اهمیت داشته باشد ظاهر می‌شوند:

حالت معمولی -چوک ها و فیلترهای EMC: امپدانس بالا در یک باند فرکانس وسیع، EMI هدایت شده را در منابع تغذیه حالت سوئیچ، اینورترها و درایوهای موتور سرکوب می کند.

ترانسفورماتورهای منبع تغذیه حالت سوئیچ{0}: عملکرد 10 - 100 کیلوهرتز با تلفات کم، چگالی توان بالاتر را ممکن می‌سازد.

ترانسفورماتورهای جریان و سیم پیچ های اندازه گیری: نفوذپذیری بالا نسبت دقیق و خطای فاز کم را می دهد.

اینورترهای خورشیدی و مبدل‌های فرکانس: تلفات کم هسته باعث بهبود راندمان تبدیل تحت سوئیچینگ فرکانس بالا-می‌شود.

تقویت کننده های مغناطیسی و راکتورهای اشباع پذیر: مشخصه اشباع تیز برای مدارهای تنظیم مناسب است.

مقایسه با هسته های فولادی فریت و سیلیکون

اموال	نانو کریستالی	فریت	فولاد سیلیکونی گرا-
القای اشباع	~1.2 - 1.25 T	~0.4 - 0.5 T	~1.7 - 2.0 T
فرکانس قابل استفاده	1 کیلوهرتز - 100 مگاهرتز	محدوده 10 کیلوهرتز - مگاهرتز	50 - 400 هرتز
از دست دادن هسته در فرکانس بالا	کم	کم	بالا
پایداری دما	بالا (کوری بالای 500 درجه)	محدود (کوری حدود 150 - 250 درجه)	بالا
اندازه نسبی در همان اندوکتانس	کوچک	بزرگتر	بزرگ

فرم حلقوی و ملاحظات طراحی

بیشتر هسته‌های نانوکریستالی به صورت حلقه‌های پیچ خورده از روبان تهیه می‌شوند و با یک لایه عایق پوشانده می‌شوند. مسیر مغناطیسی بسته، اندوکتانس نشتی کم، EMI کم تابش و استفاده کارآمد از شار می دهد. هنگام طراحی با این هسته‌ها، به حاشیه اشباع تحت بایاس DC، فرکانس کاری (تلفات جریان گردابی به شدت از حدود 100 کیلوهرتز افزایش می‌یابد) و شرایط بازپخت، که کلاس نفوذپذیری و شکل حلقه B{3}}H را تعیین می‌کند، توجه کنید.

باورهای غلط رایج

هسته های نانو کریستالی فریت نیستند. آنها هسته‌های آلیاژی{0}}بر پایه آهن هستند و نباید با استفاده از داده‌های تلفات فریت انتخاب شوند.

نفوذپذیری ثابت نیست: به سطح میدان اعمال شده و فرکانس بستگی دارد، بنابراین محاسبات طراحی باید از نفوذپذیری موثر در نقطه عملیاتی واقعی استفاده کنند.

سوالات متداول

چرا از هسته‌های نانوکریستالی در چوک‌های حالت معمولی-استفاده می‌شود؟

نفوذپذیری بالای آنها در یک محدوده فرکانس وسیع، امپدانس حالت معمولی-بالا با دورهای کمتر را فراهم می‌کند، که ظرفیت سیم‌پیچ را کاهش می‌دهد و تضعیف فرکانس بالا-در فیلترهای EMC را بهبود می‌بخشد.

آیا نانو کریستال می تواند جایگزین فولاد سیلیکونی در ترانسفورماتور 50 هرتز شود؟

می‌تواند، و بدون تلفات بار را به‌طور چشمگیری کاهش می‌دهد، اما فولاد سیلیکونی در فرکانس خط برای ترانسفورماتورهای قدرت بزرگ، مقرون به صرفه‌تر است؛{1}} در مواردی که اندازه یا عملکرد فرکانس بالا اهمیت دارد، نانو کریستالی ترجیح داده می شود.

چگالی شار اشباع معمولی چیست؟

در حدود 1.2 - 1.25 T برای نمرات استاندارد مبتنی بر آهن-در دمای اتاق، که تقریباً سه برابر فریت است و سطح مقطع هسته بسیار کوچک‌تری را برای همان توان ایجاد می‌کند.

هسته های نانوکریستالی چگونه ساخته می شوند؟

آلیاژ مذاب بر روی یک چرخ دوار خاموش می شود تا یک نوار بی شکل تشکیل شود، به شکل مورد نیاز پیچیده می شود و با یا بدون میدان مغناطیسی آنیل می شود تا دانه های نانوکریستالی را رسوب داده و نفوذپذیری و تلفات مورد نظر را تنظیم کند.

چه چیزی در فرکانس بالا بیشترین تأثیر را از دست دادن هسته دارد؟

جریان های گردابی تلفات جریان گردابی بالای 100 کیلوهرتز به سرعت با فرکانس رشد می‌کند، بنابراین ضخامت نوار، پوشش عایق بین لایه‌ها و خواص مغناطیسی آنیل شده، همگی باید با هم بهینه شوند.