Wyniki wyszukiwania - BazTech

1

Power Loss and Temperature Distribution in Coil of PFC Inductor with Air Gap for Multimode Operation

Kasikowski Rafał

Pomiary Automatyka Robotyka

|

2024

|

R. 28, nr 1

89--95

EN

Power converters inherently display non-linear load characteristics, resulting in a high level of mains harmonics, and hence the necessity of implementing Power Factor Correction (PFC). Active PFC circuitry typically comprises an inductor and a power switch to control and alter the input current so that it matches, in shape and phase, the input voltage. This modelling of the waveforms can be performed by means of distinct conduction modes of the PFC inductor. The digital controller implemented in the constructed and investigated boost-type PFC converter can be programmed to operate in discontinuous conduction mode (DCM), continuous conduction mode (CCM), or a combination of the two. The individual modes of operation, via distinct PFC inductor current waveforms, impact the overall efficiency of power conversion and, by extension, temperature distribution in the magnetic component. This paper investigates how the examined conduction modes bear on distinct power-loss mechanisms present in the PFC inductor, including high-frequency eddy-current-generating phenomena, and the fringing effect in particular. As demonstrated herein, the DCM operation, for the set output power level, exhibits exacerbated power dissipation in the winding of the inductor due to the somewhat increased RSM value of the current and the intensified fringing magnetic flux at an air gap. The latter assertion will undergo further, more quantitatively focused research. Finally, the construction of the coil was optimised to reduce power loss by diminishing eddy-current mechanisms.

PL

Przetwornice impulsowe z natury charakteryzują się nieliniową charakterystyką obciążenia, co skutkuje wysokim poziomem harmonicznych prądu wejściowego, a co za tym idzie koniecznością korekcji współczynnika mocy PFC (ang. Power Factor Correction). Aktywne układy PFC mają zazwyczaj w swojej budowie element indukcyjny (cewka PFC) oraz klucz elektroniczny w formie tranzystora, które kontrolują i modyfikują prąd wejściowy, tak aby odpowiadał on kształtem i fazą napięciu wejściowemu. Modelowanie przebiegu prądu zwykle jest realizowane za pomocą kilku odmiennych trybów pracy (przewodzenia) cewki PFC. Cyfrowy układ elektroniczny zaimplementowany w konstruowanej i następnie badanej przetwornicy PFC podnoszącej napięcie (ang. Boost/Step-up converter) jest programowalny do pracy w trybie nieciągłego prądu DCM (ang. Discountinuous Conduction Mode), ciągłego prądu CCM (ang. Countinuous Conduction Mode) lub w ich połączeniu. Poszczególne tryby pracy, a dokładnie różne przebiegi prądu cewki PFC, wpływają na sprawność przetwornicy PFC, a co za tym idzie, na straty mocy i rozkład temperatury w elemencie indukcyjnym. W artykule przedstawiono, w jaki sposób badane tryby pracy wpływają na różne mechanizmy rozpraszania mocy występujące w uzwojeniu cewki PFC, w tym na występujące dla relatywnie wysokich częstotliwości zjawiska generujące prądy wirowe, a w szczególności na zjawisko strumienia rozproszenia przy szczelinie powietrznej. Jak zademonstrowano, tryb pracy typu DCM, dla danego obciążenia przetwornicy, wykazuje wyższe straty mocy w uzwojeniu cewki PFC ze względu na powiększoną wartość skuteczną prądu RMS (ang. Root-Mean-Square) i wzmożony oddziaływanie zjawiska strumień magnetycznego rozproszenia przy szczelinie powietrznej. Ostatnia teza będzie przedmiotem dalszych, ukierunkowanych ilościowo działań badawczych. W ostatnim etapie badań zoptymalizowano konstrukcję uzwojenia cewki, aby zmniejszyć straty mocy poprzez zredukowanie mechanizmów generowania prądów wirowych.

2

Extraction of Fringing-Effect Power Loss from Total Dissipation in Magnetic Component

Kasikowski Rafał

Pomiary Automatyka Robotyka

|

2023

|

R. 27, nr 4

33--38

EN

Power magnetics in the energy storage configuration are not able to handle a significant amount of power without the introduction of a physical discontinuity in their magnetic path. This frequently takes the form of a discrete air gap giving rise to certain consequences such as extra power dissipation in the coils mounted on gapped cores. The ascertainment of the impact of the fringing magnetic field at the air gap on the efficiency of power conversion is highly problematic due to the complex nature of the phenomenon. The fringing-effect power loss typically coexists and is combined with all the other power-dissipation mechanisms, which greatly complicates the extraction of losses brought about solely by the fringing flux at the air gap from the total amount of dissipation in a given magnetic component. Magnetic cores of composite materials do not require a discrete air gap, as the air gap in them is distributed throughout the entire material, thus preventing the fringing magnetic flux from forming. However, there is a downside to this approach, as power loss in the material is comparably greater and so are the manufacturing costs. As shown here, distributed-gap-type core materials, due to the absence of physical discontinuity, and hence the lack of registerable fringing-effect power loss, can be utilized to comparatively ascertain and extract the extra power dissipation due to the fringing effect phenomenon in gapped magnetic components.

PL

Elementy indukcyjne konwertujące i magazynujące moc elektryczną nie są w stanie przetworzyć znacznej ilości mocy bez wprowadzenia fizycznej nieciągłości w przestrzeń ich obwodów magnetycznych. Przerwa ta często przybiera formę dyskretnej szczeliny powietrznej, co pociąga za sobą pewne następstwa głównie w postaci dodatkowych start mocy w uzwojeniach tak skonstruowanych elementów indukcyjnych. Oszacowanie wpływu rozproszonego pola magnetycznego przy szczelinie powietrznej na sprawność przetwarzania energii jest bardzo problematyczne przede wszystkim ze względu na złożony charakter zjawiska. Ta dodatkowa strata mocy występuje zwykle wspólnie i łączy się z pozostałymi mechanizmami rozpraszania mocy, co znacznie komplikuje ekstrakcję strat spowodowanych wyłącznie przez strumień rozproszonego pola magnetycznego przy szczelinie powietrznej z całkowitej mocy rozproszonej w danym elemencie indukcyjnym. Rdzenie magnetyczne z materiałów kompozytowych nie wymagają dyskretnej szczeliny powietrznej, gdyż szczelina powietrzna jest w nich rozłożona w objętości całego materiału, a tym samym brakuje fizycznego mechanizmu powodującego powstawanie strumienia rozproszenia. Rozwiązanie to ma jednak wadę w postaci zwiększonych strat w materiale rdzenia. Jak zademonstrowano, rdzenie o szczelinie rozproszonej nie wykazują strat mocy spowodowanych strumieniem rozproszenia, a tym samym mogą stanowić podstawę do wyodrębnienia strat mocy wyłącznie z powodu tego zjawiska w elementach indukcyjnych z dyskretną szczeliną powietrzną.

3

Reduction of Fringing-Effect in Inductors by Quasi-Distributed-Gap Method

Kasikowski Rafał

Measurement Automation Monitoring

|

2019

|

Vol. 65, No. 2

48--51

EN

The fringing-field phenomenon can have a significant impact on the key performance parameters of magnetic components with an air gap. The fringing magnetic flux at the air gap has an effect on a component’s inductance, power loss and temperature distribution in copper windings. The induced excess eddy currents in the windings due to the fringing effect cause localized heating and reduce the overall efficiency of power conversion. This effect can be analysed by infra-red thermography to demonstrate the potential hazards of designing magnetic components with an air gap. Design engineers are frequently forced to design around the problem by employing a number of available techniques. The quasi-distributed-gap technique combats the issue at the origin as it essentially constrains the fringing magnetic flux at the downsized air gaps to their immediate vicinity. The selection of the length of the individual air gaps as well as their placement is not straightforward, as the phenomenon is a function of the air gap length and geometry. The resulting inductance of the component has to be the same or at least comparable to the original value in order to maintain the operating conditions of the application which the component is part of. This paper examines the effects of splitting a discrete air gap on the electromagnetic and thermal properties of inductors and presents a method to aid the design of quasi-distributed-gap inductors based on finite-element simulations as well as measurements. An analytic expression, which closely approximates the required length of quasi-distributed gaps, is developed.