การเพิ่มประสิทธิภาพด้วยวัสดุรูปทรงเรขาคณิตที่อัปเกรดใหม่

นอกจากการทำให้ขนาดเล็กลงแล้วการเพิ่มประสิทธิภาพถือเป็นเป้าหมายหลักประการหนึ่งในการออกแบบแหล่งจ่ายกำลังไฟฟ้า นอกจากเซมิคอนดักเตอร์ไฟฟ้า แกนเฟอร์ไรต์ถือว่ามีบทบาทสำคัญในการกำหนดประสิทธิภาพโดยรวม และเพื่อทำแก้ปัญหานี้ TDK จึงได้พัฒนาเฟอร์ไรต์ชนิดใหม่และปรับรูปทรงของแกนหลักให้มีความเหมาะสมที่สุด

แหล่งจ่ายกำลังไฟฟ้าทุกชนิดอาศัยเฟอร์ไรต์ ซึ่งมีการออกแบบแกนหลักต่างๆ กัน และเป็นฐานของตัวเหนี่ยวนำที่ได้รับการใช้ในการกักเก็บพลังงานและเป็นฐานของหม้อแปลงที่ส่งพลังงานและการแยกไฟฟ้าแบบกัลวานิก

แม้ว่าในปัจจุบันการออกแบบมีจุดมุ่งหมายให้เพิ่มประสิทธิภาพไปถึงเกิน 98% แต่เหล่าวิศวะกรยังคง กำลังพยายามพัฒนาชิ้นส่วนเล็กให้มันได้รับประสิทธิภาพที่ดีขึ้นต่อไป พร้อมๆ กับการลดขนาดและน้ำหนักของส่วนประกอบไปพร้อมกัน

เซมิคอนดักเตอร์ Bandgap แบบกว้างชนิดใหม่ เช่น GaN (แกลเลียมไนไตรด์) และ SiC (ซิลิกอนคาร์ไบด์) เป็นแรงผลักดันให้เกิดความก้าวหน้า เซมิคอนดักเตอร์เหล่านี้มีเอาต์พุตที่มีความหนาแน่นของพลังงานสูงกว่าและมีประสิทธิภาพการแปลงพลังงานสูงกว่าโดยมีอัตราสลูว์เรทที่เร็วขึ้นและการสูญเสียที่ลดลงทำให้สามารถลดขนาดเล็กของตัวเหนี่ยวนำและหม้อแปลงลงอย่างมาก หรือจัดการระดับพลังงานที่สูงขึ้นด้วยส่วนประกอบที่มีขนาดเท่ากันได้อย่างไรก็ตาม ปัญหาทางวัสดุเฟอร์ไรต์กำลังแบบเดิมไม่ได้รับการปรับให้เหมาะสมสำหรับการทำงานในช่วงความถี่ MHz ซึ่งวัสดุเหล่านี้จะประสบกับการสูญเสียที่เพิ่มขึ้นเมื่อเทียบกับความถี่ที่ต่ำกว่า

The new PC200 material delivers high efficiency at frequencies up to 4 MHz.

เพื่อใช้ประโยชน์ข้อดีของเซมิคอนดักเตอร์ชนิดใหม่ TDK ได้พัฒนาเฟอร์ไรต์ PC200 ที่ทำจาก MnZn ซึ่งปรับให้เหมาะสมสำหรับช่วงความถี่ 0.7 MHz ถึง 4 MHz ก่อนส่งผ่านกำลังไฟฟ้าสูงสุดเกิดขึ้นที่ความถี่การสลับระหว่าง 1.8 MHz ถึง 2 MHz และมีอุณหภูมิการทำงานอยู่ที่ 100 องศาเซลเซียส เมื่ออุณหภูมิคูรีเกินอุณหภูมิที่ 250 องศาเซลเซียส PC200 จึงเหมาะเป็นพิเศษสำหรับหม้อแปลงที่ใช้การออกแบบแกนวงแหวนหรือแกนระนาบ รูปที่ 1 แสดงการเปรียบเทียบประสิทธิภาพระหว่าง PC200 กับวัสดุทั่วไป

รูปที่ 1: วัสดุเฟอร์ไรต์ PC200 MnZn มอบประสิทธิภาพที่เหมาะสมที่สุด ในระดับที่ประมาณ 2 MHz เพราะฉะนั้นมันเป็นเหมาะอย่างยิ่งสำหรับโครงสร้างแหล่งจ่ายไฟที่ใช้เซมิคอนดักเตอร์แบนด์แก็ปกว้างแบบใหม่ เช่น GaN และ SiC

70% Reduced Losses with Distributed Air Gaps

การใช้ช่องว่างอากาศเดี่ยวในแกนเฟอร์ไรต์เป็นวิธีการที่ใช้กันอย่างแพร่หลายเพื่อชะลอความอิ่มตัวของแกนและเพิ่มประสิทธิภาพ อย่างไรก็ตาม ช่องว่างเดี่ยวที่ค่อนข้างใหญ่เหล่านี้อาจเพิ่มฟลักซ์ขอบซึ่ง ทำให้การสูญเสียทางทองแดงเพิ่มเติม โดยเฉพาะที่ความถี่สูงอยู่ TDK ได้กลายเป็นผู้ผลิตแกนเฟอร์ไรต์รายแรกที่เสนอโซลูชันที่มีประสิทธิภาพทางการลดการปล่อยคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าและการเกิดความร้อนโดยการแนะนำรูปทรงเรขาคณิตใหม่และกระบวนการผลิตแกนที่มีช่องว่างอากาศแบบกระจาย (รูปที่ 2) การวางช่องว่างไว้ในเสาตรงกลางช่วยลดการปล่อยมลพิษสนามแม่เหล็กทางสิ่งแวดล้อมได้อย่างมีประสิทธิภาพ

มีแกนหลักขนาดต่าง ๆ พร้อมช่องกระจายอากาศ 3 ช่อง มีให้เลือกใช้งานในรูปแบบแกน E, EQ, ER, ETD, PM และ PQ ซึ่งเข้ากันได้กับวัสดุไฟฟ้า EPCOS ทั้งหมด แกนหลักที่ ช่องอากาศกระจาย 3 ช่อง (รูปที่ 3) มอบความสมดุลด้านต้นทุนและประสิทธิภาพที่ดีที่สุดสำหรับการใช้งานที่ความถี่การสลับสูงกว่าความถี่เดิมสองถึงสามเท่า อุปกรณ์แบบนี้สามารถลดการสูญเสียได้มากถึง 70 เปอร์เซ็นต์ นอกจากนี้ ยังสามารถปรับแต่งการออกแบบสำหรับลูกค้าที่จะฅ้องการแกนหลักที่มีช่องอากาศแตกต่างกันได้

ตอนนี้การรวมกันของวัสดุเฟอร์ไรต์ PC200 ใหม่กับโครงสร้างแกนขั้นสูง ทำให้สามารถใช้ประโยชน์ข้อดีของเซมิคอนดักเตอร์ใหม่ได้อย่างเต็มที่ พร้อมทั้งยังมีประสิทธิภาพที่สูงขึ้นและมีขนาดเล็กลงอีกด้วย

รูปที่ 2: การสูญเสียทางพลังงาน (พื้นที่สีแดง) สามารถลดลงได้อย่างมากด้วยการใช้ช่องอากาศกระจายแบบเดียวกัน (ด้านขวา) เมื่อเปรียบเทียบกับวิธีการดั้งเดิมที่ใช้ช่องอากาศเพียงช่องเดียว (ด้านซ้าย)

แกนหลักที่ช่องอากาศกระจาย 3 ช่องที่เหมือนกัน มอบความสมดุลด้านต้นทุนและประสิทธิภาพที่ดีที่สุดสำหรับการใช้งานที่ความถี่การสลับสูง