1K107 E-Geformte nanokristalline Kerne für Schaltnetzteile

Was ist ein 1K107 E-förmiger nanokristalliner Kern?

Die Bezeichnung 1K107 bezieht sich auf eine nanokristalline weichmagnetische Legierung auf Eisen--Basis mit sehr hoher Permeabilität, hoher Sättigungsflussdichte und geringem Kernverlust bei hoher Frequenz. Bei Herstellung in E--Form bietet der Kern eine praktische drei-schenkelige magnetische Struktur, die sich leicht aufwickeln und auf einer Leiterplatte oder einem Gehäuse montieren lässt. Nanokristalline Kerne in E--Form werden in Schaltnetzteilen verwendet, um die Leistung zu verbessern, insbesondere in Anwendungen mit hoher-Leistung und hoher-Frequenz wie Wechselrichtern, Batterieladegeräten und Industrieanlagen, wo sie ein kompakteres und effizienteres Design als herkömmliche Ferritkerne bieten.

Hauptvorteile im Vergleich zu Ferrit

Magnetische Induktion mit hoher Sättigung: Die 1K107-Legierung erreicht die Sättigung bei etwa 1,2 T, etwa dem 2,5-fachen der Sättigungsflussdichte von Leistungsferrit, was kleinere Transformatoren mit höherer Leistungsdichte oder einem größeren Flusshub bei gleicher Kerngröße ermöglicht.

Geringe Kernverluste bei hoher Frequenz: Nanokristalline Kerne haben bei 20–50 kHz deutlich geringere Kernverluste als Ferritkerne, wodurch der Wirkungsgrad erhöht und die Wärmeentwicklung im Transformator reduziert wird.

Hervorragende thermische Stabilität: Bei einer Curie-Temperatur von etwa 570 Grad bleibt die magnetische Leistung über einen viel größeren Temperaturbereich stabil als bei Ferrit, dessen Eigenschaften deutlich unter 200 Grad nachlassen.

Kompaktes Design: Die überlegenen magnetischen Eigenschaften ermöglichen kleinere Kerngrößen, was für Anwendungen mit begrenztem Platzbedarf wie Fahrzeugen, Ladegeräten und medizinischen Geräten von entscheidender Bedeutung ist.

Hohe Permeabilität: Die hohe Anfangspermeabilität reduziert die Anzahl der Windungen, die für eine bestimmte Induktivität erforderlich sind, wodurch Kupferverluste und Wicklungskosten gesenkt werden.

Anwendungen in Schaltnetzteilen

Haupttransformatoren

Große Schaltnetzteile und Wechselrichter verwenden für ihre Haupttransformatoren nanokristalline Kerne in E--Form, um hohe Leistungen effizient zu verarbeiten. Der hohe Sättigungsfluss ermöglicht einen kleineren Kernquerschnitt, während der geringe Verlust den Temperaturanstieg bei hohen Schaltfrequenzen in Grenzen hält.

Hochfrequenztransformatoren

Für Vorwärts-, Flyback- und LLC-Resonanzwandler mit Frequenzen von 20–100 kHz ist der geringe Kernverlust des nanokristallinen Materials ein entscheidender Vorteil. Der Transformator kann mit einem höheren Flusshub betrieben werden, wodurch die Anzahl der Windungen und der Kupferverlust reduziert werden.

Induktoren und Drosseln

E-förmige nanokristalline Kerne werden in Gleichtaktinduktivitäten, PFC-Induktivitäten (Leistungsfaktorkorrektur) und Filterinduktivitäten verwendet. Bei PFC-Boost-Induktoren ermöglichen die hohe Sättigungsflussdichte und die Möglichkeit eines kontrollierten Luftspalts eine hohe Energiespeicherung auf kleinem Raum.

Sonstige Leistungselektronik

Weitere Anwendungen umfassen USV-Systeme, Solarwechselrichter und IGBT-Wechselrichter-Stromversorgungen, bei denen Effizienz, thermische Stabilität und Kompaktheit gleichermaßen wichtig sind.

Typische Abmessungen

Die folgende Tabelle listet repräsentative nanokristalline Kernabmessungen in E--Form auf. A, B, C, D, E und F sind die Standard-E--Kerngeometrieparameter; Toleranzwerte werden nach dem Plus-Minuszeichen angegeben.

A (mm)	B (mm)	C (mm)	D (mm)	E (mm)	F (mm)
8.3 ± 0.2	6.0 ± 0.1	1.8 ± 0.2	3.6 ± 0.2	3.0 ± 0.1	4.0 ± 0.1
10.0 ± 0.3	7.0 ± 0.2	2.4 ± 0.2	4.6 ± 0.3	4.2 ± 0.2	5.4 ± 0.2
13.0 ± 0.3	10.2 ± 0.3	2.6 ± 0.2	5.9 ± 0.2	4.6 ± 0.1	6.0 ± 0.2
16.0 ± 0.3	12.0 ± 0.3	3.8 ± 0.2	4.8 ± 0.2	5.2 ± 0.2	7.2 ± 0.1
19.0 ± 0.3	14.0 ± 0.2	4.8 ± 0.3	4.8 ± 0.3	5.7 ± 0.2	8.0 ± 0.3
22.0 ± 0.6	15.6 ± 0.2	5.7 ± 0.3	5.7 ± 0.3	5.4 ± 0.3	9.2 ± 0.3
25.0 ± 0.4	18.6 ± 0.3	6.5 ± 0.3	6.5 ± 0.3	6.8 ± 0.2	10.0 ± 0.2
28.0 ± 0.6	18.6 ± 0.3	7.2 ± 0.2	10.7 ± 0.3	6.5 ± 0.2	10.5 ± 0.3
30.0 ± 0.5	19.9 ± 0.4	6.9 ± 0.3	7.1 ± 0.2	10.0 ± 0.2	15.0 ± 0.2
33.0 ± 0.3	23.5 ± 0.3	9.6 ± 0.4	12.7 ± 0.3	9.2 ± 0.3	13.7 ± 0.3
35.0 ± 0.6	24.6 ± 0.2	10.0 ± 0.3	10.0 ± 0.3	12.5 ± 0.3	17.5 ± 0.3
42.1 ± 0.9	29.5 ± 0.2	12.0 ± 0.3	15.0 ± 0.3	15.2 ± 0.4	21.1 ± 0.3

Die oben genannten Abmessungen dienen als Referenz. Zusätzliche Größen und Geometrien können angepasst werden, um spezifische Leistungs- und Platzanforderungen zu erfüllen, einschließlich Versionen mit Lücken für Energiespeicherinduktoren.

Designüberlegungen für den Stromversorgungsingenieur

Überprüfen Sie die Flussschwankung: Nanokristalline Kerne ermöglichen ein größeres Delta-B als Ferrit, aber der Kernverlust nimmt mit der Frequenz und Flussdichte schnell zu. Überprüfen Sie daher die Verlustkurve am tatsächlichen Betriebspunkt.

Berücksichtigen Sie den Luftspalt: Für PFC- und Filterinduktoren ist ein kontrollierter Luftspalt erforderlich, um Energie zu speichern. Bei Transformatoranwendungen maximiert ein Kern ohne Luftspalt die Permeabilität und minimiert den Magnetisierungsstrom.

Überprüfen Sie das Wicklungsfenster: Die E-förmige Fensterfläche und der Kernquerschnitt-bestimmen zusammen die erreichbare Leistung. Verwenden Sie das A x B-Produkt des Kerns, um die Leistungsfähigkeit im ersten Entwurfsdurchgang abzuschätzen.

Temperaturreduzierung: Obwohl die Curie-Temperatur hoch ist, legen die Drahtisolierung und die Kernbeschichtung die praktische Temperaturgrenze fest; Halten Sie die Kerntemperatur für eine langfristige Zuverlässigkeit unter etwa 120 -150 Grad.

Handhabung: Nanokristalline Kerne sind empfindlich gegenüber mechanischer Beanspruchung. Verwenden Sie die mitgelieferte Schutzbeschichtung und vermeiden Sie es, den Kern direkt auf seinem Magnetpfad einzuklemmen.

FAQ

Was bedeutet 1K107 in der Kernbezeichnung?

1K107 ist die Sortenbezeichnung der nanokristallinen Legierung auf Eisen--Basis: Sie bezeichnet die spezifische Zusammensetzung und Wärmebehandlung, die dem Kern seine hohe Permeabilität, hohe Sättigungsflussdichte und geringen Kernverlust verleihen. Verschiedene Qualitäten der 1K-Serie sind für unterschiedliche Kombinationen von Verlust, Permeabilität und Frequenzbereich optimiert.

Warum ist die Sättigungsflussdichte in einem Schaltnetzteiltransformator wichtig?

Eine höhere Sättigungsflussdichte ermöglicht den Betrieb des Transformators mit einem größeren Flusshub, was bei gleicher Leistung weniger Windungen und einen kleineren Kern bedeutet. Bei Ferrit ist die nutzbare Flussschwankung auf etwa 0,2-0,3 T begrenzt, während nanokristallines Material bei 0,5–0,8 T oder mehr arbeiten kann, was den Kernquerschnitt bei gleicher Leistung ungefähr halbiert.

Können nanokristalline Kerne in E--Form bei Frequenzen über 100 kHz verwendet werden?

Das ist zwar möglich, aber der Kernverlust nimmt mit der Frequenz zu, sodass die Flussschwankung entsprechend reduziert werden muss. Zwischen 20 und 100 kHz bietet das Material einen klaren Vorteil gegenüber Ferrit; oberhalb von 100–200 kHz hängt der Vergleich von der spezifischen Legierungssorte und der erforderlichen Effizienz ab.

Wie schneidet ein nanokristalliner E--Kern im Vergleich zu einem Ferrit-E--Kern gleicher Größe ab?

Bei gleicher Geometrie bietet der nanokristalline Kern etwa die 2,5-fache Sättigungsflussdichte und einen geringeren Kernverlust bei 20–50 kHz, was einen höheren Leistungsdurchsatz ermöglicht. Der Ferritkern ist leichter, kostengünstiger und in sehr großen Größen leichter erhältlich, daher hängt die Wahl von der Leistungsdichte, den Kosten und den thermischen Anforderungen des Designs ab.

Benötigen nanokristalline Kerne einen Luftspalt für PFC-Induktivitäten?

Ja. Energiespeicherinduktivitäten wie PFC-Boost-Induktivitäten benötigen einen Luftspalt, um Energie im Magnetfeld zu speichern. Der Kern kann mit einer verteilten Lücke oder einer diskreten Lücke geliefert werden, sodass die Induktivität unter Gleichstromvorspannung stabil bleibt, ohne in die Sättigung zu gehen.