·系统体积、重量和尺寸显著降低；
·更高的工作温度/降低散热要求；
·交换损耗更低/功率输出增加(峰值效率高达95%)；
·高击穿强度,高最大电流和高振荡频率。
这些好处好——最显著的是高交换频率和高工作温度——可对一个系统的磁性元件性能有着显著影响。为确保磁性元件的最佳性能,找到专门的GaN磁芯供应商是至关重要的。如果找不到,可能会致使磁芯成为系统效率的瓶颈。
高品质的GaN磁芯供应商,有四个主要特点:
1. 芯材选择
GaN技术使高交换频率和高工作温度成为可能,这给设计工程师带来关键好处。这也对磁性组件芯材选择带来了显著的挑战,因为这些组件的性能随着这两个因素有着显著的变化。
一定要选择知道如何为您独特的基于GaN的技术选择最佳芯材的磁性元件供应商。要做到这一点,要确保潜在的供应商具有：
-广泛的芯材专业知识-
高品质的供应商至少将对50种不同的芯材的性能特点有深入了解,包括它们在不同的工作温度和交换频率下的性能。
-芯材性能和交换频率的专业知识-
询问有关交换频率是如何影响任何所选芯材的性能的具体问题。相同的材料在不同的频率下的性能差异很大。图1表明,材料A在300kHz交换频率下的磁芯损耗是100kHz交换频率下(假设有共同0.1T峰值磁通密度)的5倍以上。对此种差异的另一种来解释是,在100kHz和300kHz频率下,为了达到相同的磁芯损耗(100mW的/厘米3),在300kHz下的工作峰值磁通密度必须比在100kHz下的降低44%。(0.053T峰值磁通密度@300kHz与0.095T@100kHz)。
图1:对于300kHz交换频率,材料B是较好的选择,因为达到相同的100mW的/立方厘米的磁芯损耗所需的峰值磁通密度是O.07T。相比材料A而言,它能够在较高的峰值磁通密度下工作,并使得匝数减少2.21X,改善了32%。
一个常见的误解是,随着工作频率的增加(从100kHz至300kHz,为3倍),匝数也按相同的比率(3X)减少。然而,匝数减少的增益与交换频率的增加不直接成比例。考虑到上述峰值磁通密度的降低,为达到相同的磁芯损耗,匝数减少应是1.7X而不是3X。
更好的芯材选择可以降低交换频率的损耗方差。如图1中所示,300kHz交换频率下的较好选择为材料B,因为达到相同的100mW的/立方厘米的磁芯损耗所需的峰值磁通密度是0.07T。能够以较高的峰值磁通密度来工作,使得匝数减少了2.21X。与材料A(1.7×匝数减少)相比,改善了32%。这将有助于进一步降低传导损耗和绕组电容。
-芯材性能和工作温度专业知识-
高品质供应商也将能够为您所应用的独特性能环境的最佳芯材选择提供准确的信息。对于给定的芯材,在不同温度下,损耗变化多达50%。
图2示出了材料A和B的磁芯损耗方差与温度的曲线(100kHz,0.1T)。材料A在100℃左右,具有最低磁芯损耗。然而,磁芯损耗随工作温度的变化会很大。例如,对于材料A,对比100℃的情况,磁芯损耗在40℃时高50%,在120℃时高10%。另一方面,材料B的磁芯损耗在不同温度下稳定的多，在40℃和100℃的范围内,损耗方差在最小值和10%之间。
工作温度的重要作用在行业中常常被忽视,通常的做法是,在一定温度(多数是在最小值)下,画出磁芯损耗曲线。为您的应用工作温度选择合适的芯材,可对效率产生显著影响。在此情况下,选择材料B或A,可能带来80+白金和80+钛效率认证的差别。
图2:磁芯损耗随工作温度变化很大。例如,对于材料A,对比100℃的情况,磁芯损耗在40℃时高50%,而在120℃时高10%。另一方面,材料B的磁芯损耗随温度变化要稳定的多,在40℃和100℃的范围内.损耗方差为在最小值和10%之间。
2. 寄生管理
漏电电感和漏电甩均会造成交换损耗。已经认识到漏感在交换时会造成电压尖峰。根据它们的特别应用,设计工程师会希望尽量减少或维持漏感。在几乎所有情况下,设计工程师都将期待将电容减到最小。为了实现精确的寄生管理,需要找到使用有限元分析和多种绕组配置的GaN磁芯供应商。
-3D有限元分析-
三维有限元分析通过分析因趋肤和邻近效应造成的损耗,用来分析磁通分布和漏电感。3D虚拟仿真软件模拟并研究电磁特性。除了保证最佳性能,有限元分析通过保证从一开始就将优化性能,加速上市时间,无需迭代设计。
-高级绕组配置-
高品质氮化镓磁芯供应商,也将拥有高级绕组配置功能。用相同的绕线管的相同的磁部件,根据绕组配置,匝数和包装样式可以有显著不同的电容。如图3所示,仅取决于绕组配置的电容可相差高达75%。
图3:同样磁性元件,相同的绕线管,根据线圈的配置,匝数和包装样式可以产生显显著不同的电容。如图3所示,仅由于线圈配置,电容可以相差高达75%。
确保任何潜在的GaN磁芯供应商拥有高级绕线(包括绕线管绕线和磁环绕线)专业知识,以尽量减少在每个独特应用中的寄生效应。
-寄生管理结果-
采用有限元分析和高级绕线配置,高品质氮化镓磁芯供应商可以同时精确地管理泄漏电感和漏电容的寄生效应。
希望维持漏电感的设计工程师,可以创建工字形绕线管提供比传统的绕线管多三到五倍以上的漏电感。这由工字形绕线管实现,其中初级和次级绕组同心地缠绕。
要尽量减少漏感,高品质供应商应该能够设计出解决方案,使其占不到总部件电感的百分之一。
此外,有限元分析结合高级绕线配置,将使氮化镓磁芯专家提供比传统的电磁设计低五倍的电容。
图4:图4展示了趋肤深度随频率的变化曲线。单绞线可根据趋肤深度性能选择,以优化其交流/直流电阻比。目标是要达到统一状态,使导体被充分用来携带高频电流,而中心没有任何浪费的非通电空间。
图5:图5显示了趋肤深度与单股导线AWG的曲线,实现统的交流/直流比。
要建立试验验证的DOE(实验设计),确保您的氮化镓磁芯供应商超越“理论”的模拟有限元分析结果是很重要的。
3. 广泛的绞合线选择
不同的交换频率需要不同股尺寸的绞合线,以获得最佳性能。这是由趋肤和邻近效应造成的。
-趋肤效应-
随着交换频率的增加,电流趋向于在导体外传播,增加了其交流电阻。这种现象被称为趋肤效应。在给定频率下,导体的趋肤深度定义为从表面到中心的渗透距离。图4为趋肤深度随频率的变化曲线。单绞线可基于趋肤深度性能进行选择,以优化其交流/直流电阻比。目标是要达到统一状态,其中导体被充分利用于携带高频电流,而没有任何浪费中心非电流携帶空间。现已证明,这种统一状态可通过选择趋肤深度直径两倍大小的绕线来实现。图5显示了趋肤深度随单绞线AWG的变化曲线,实现统一的直流/交流比。
图6:图6显示了常用的绞合线的尺寸与交换频率曲线。值得注意的是,由于邻近效应,对于相同的频率,图6中的股线尺寸比图5中的单绞线AWG显著更小。这样的差异进一步勾勒出适当选择绞合线的意义。选择错误的股线尺寸,可能对系统效率和元件温度是昂贵的。
-附近效应-
然而。趋肤效应只是妨碍整体效率的交流电阻的一部分。造成交流电阻的另一个关键因素是邻近效应,即相邻导体中的电流流动导致的导体中的电流重新分配。根据设计,邻近效应导致的变压器或电感器的交流电阻的增加,可以比趋肤效应导致的多10至100倍以上。
-以获得最佳性能的较合线-
传统上,绞合线被用来对抗趋肤和邻近效应。绞合线是用较小尺寸的钢绞线线束制成。图6显示常用的绞合线的大小随交换频率的变化。值得注意的是,由于邻近效应,对于相同的频率,图6中的股线尺寸比图5中的单绞线AWG要小的多。这样的差异进一步勾勒出适当选择绞合线的意义。如果钢绞线尺寸选择不当,可能证明对系统效率和元件温度是昂贵的。
4. 选择领先的氮化镓技术合作伙伴
综上所述,GaN交换机为设计工程师提供了大量的关键好处。这些好处也给磁性元件的设计带来挑战。确保任何潜在的磁性元件供应商拥有高级芯材选择、寄生管理和广泛的绞合线选择的专业技术,以及与业界领先的GaN技术的供应商合作,以确保您的磁性元件被优化,并帮助您实现高效系统。