フェライトコアの選択と設計に関する判断事項

この記事では、標準的なフェライトコアの選択ガイドと、DC-DC コンバーターやパワーフィルターコイルなどのアプリケーションで使用される設計プロセスについて説明します。このプロセスには、複数のデータシートの使用を必要とする一連のステップが含まれており、フェライトコアコイルの設計にギャップを設ける必要がある場合には、ある程度の繰り返しが必要になります。段階は次のとおりです。

まずは、他の材料ではなくフェライトコアを使用することの影響を考慮する必要があります。先に進む前に、フェライトコアが実装に最適な材料であるかどうかを確認してください。

コアサイズを決定する（ステージ 1）

この記事のベースとして使用している設計は、約1mHのインダクタンスを目指しており、検討するフェライト材料は、Ferroxcube製の平面のものです。部品番号はE38/8/25で、完全なコアセットを作成するには半分の部品が2個必要です。

赤いボックス内の数値はコアの有効長 （ℓ_e） です。これはピーク磁束密度を計算する上で重要な値です。これはコア半分を2個合わせたときの磁束の平均移動距離で、下図の青い線で示されています。

右側は、コアセットとPCBがどのように構築されるかを示しています。銅箔のPCBトラックはコイルループを形成するため、適切な巻き数を得るにはいくつかの小さなPCBを積み重ねる必要がある場合があります。この設計のもう1つの目的は、全体のプロファイルの高さを可能な限り低く保つことです。そのため、平面的なコアセットを対象とします。

フェライト材料の検討と選択（ステージ2および3）

E38/8/25コアは、いくつかの異なるフェライト材料で購入できます。一般的な材料タイプは3C90と3F3です。次に、これらの両方の材料タイプを調べてどちらが好ましいかを確認します。最初に比較するのは周波数応答です。つまり、フェライト材料が以下に適している周波数を確認します。

実線は、材料の透磁率 (フェライトの「感触が良い」係数) を示しています。100kHzでは、どちらも約2000の値です。これは (a) 磁束を集中させ、(b) 磁束を制限するという点で、新鮮な空気よりもどれほど優れているかを示しています。どちらも空気の2000倍優れており、それは重要なことです。ただし、100 kHzではいずれも大きな差はなく、どちらも1 MHzまでは妥当なパフォーマンスを示します。

点線はコア材料の損失を示しており、1MHzでは3F3材料が3C90よりもわずかに優れています。

次の比較では、コア温度により透磁率がどの程度変化するかを示しています。

0 °C～100 °Cの一般的な動作範囲では、3F3材料が望ましい選択となるようです。図には示されていませんが、もうひとつ比較すべき項目はコアの飽和レベルです。しかし、どちらの材料もかなり近いものであり、3F3材料にするかどうかの決定には影響しないため、それを含めていません。

まとめ

今回はE38/8/25 (Ferroxcube製) というコアタイプを対象にし、どのような材質で作れるかを調べました。材料3C90と3F3はどちらも一般的に入手可能であり、材料仕様を検討して、より優れた性能を備えた3F3を採用することにしました。

ここまでたどり着くまでに3つの異なるデータシートを調べる必要がありました。コアセットE38/8/25のデータシートには、どのような材料で作成できるかが記載されており、有効長 (ℓ _e ) と呼ばれる重要なパラメーターも記載されていました。次に、2つの材料のデータシートを調べ、技術面を横並びにして比較しました。

巻き数を計算する (ステージ4)

E38/8/25のコアデータシートに戻り、A_L (インダクタンス係数) と呼ばれる数値を探します。

ここで関連する数値は、左下にある7250という数値です。これが示しているのは、銅箔巻線を1回巻くと、インダクタンスは 7250 nH (7.25 μH) になるということです。これは、2つの同一の平面コア半分を組み合わせて使用した場合の値です。また、コアの透磁率 (𝜇_e) の関連値が1570であることにも注意してください。当初、材料仕様では2000でしたが、コアに成形されるとわずかに減少します。𝜇_eの「e」は「effective (有効)」を表しています。つまり、𝜇_eは有効透過率と呼ばれます。

フェライト材料は磁束を集中させ、すべての巻線が互いに結合していることを（ほぼ）保証するため、巻線数とインダクタンスの関係は次のようになります。

L = A_L N²

目標とするインダクタンスは1 mHなので、 巻き数が必要になります。これは11.7巻きですが、端数の巻線は使用できないため、おそらく12巻きにして、1.044 mHのインダクタンスを「受け入れる」ことになります。切り上げまたは切り捨てのどちらにするかは、回路の性質によって異なります。

必要な電流を計算する (ステージ5)

コアセット (およびコア材料) があり、必要な巻き数を計算しましたが、どのくらいの電流を流す必要があり、それにより問題が発生するのでしょうか？電流が多すぎるとコアの飽和につながる可能性があるため、それを回避する必要がありますが、電流を計算するには用途についてもう少し知る必要があります。この例では、用途がフェライトコア選択ガイドと巻線をDCMフライバックトランスのフェライトコアとして使用するDC-DC変換であると仮定します。

これはフライバック回路であるため、一次電流を計算するために二次回路の側面を分析する必要はありません。必要なのは、負荷に供給される最大電力と動作周波数だけです。したがって、動作周波数が100 kHzで、負荷に必要な電力が40ワットだとします。

負荷電力を周波数で割ると、各スイッチングサイクルで一次側が蓄え、二次側に転送する必要があるエネルギーがジュール単位で得られます。ある程度の損失は想定しなければならないので、それを考慮してエネルギーを10％高くします。「有名な」コイルのエネルギー公式 (E = 1/2 L ⋅I ²) を利用すると、次の式で1次側に流れるのに必要なピーク電流を計算できます。

もちろん、巻線コンポーネントに対して別の用途の回路を念頭に置いている場合、電流の計算は上に示したものよりも簡単になる可能性があります。どちらの場合でも、潜在的なコア飽和の問題があるかどうかを確認するために、ピーク電流を計算する必要があります。

対象とする用途については0.918アンペアと計算され、この電流がフライバックコンバーターのトランスのフェライトコアの磁化電流であることがわかります。したがって、コアが簡単に過飽和になる可能性があります。

磁束密度の計算 (ステージ6)

磁束密度を計算するには、ピーク電流、巻数、そしてステージ1で求めた有効長 (ℓ_e) の値（E38/8/25コアのハーフ2本で52.4 mm) を使用する必要があります。この数字を覚えていますか？

ピーク電流、巻数、 ℓ_eはすべて、磁界強度、Hとして知られる値に寄与します。

したがって、Hに透磁率をかければ、磁束密度のBが得られます。透磁率 (𝜇_e) は空気と比べて1570であり、空気の絶対透磁率は1.257 𝜇H/mであることが（さまざまな情報源から）わかっています。したがって、Bは次のように計算できます。

B = 210.2 ×1570 ×1.257 ×10^-6= 0.4148テスラ

これは予測されたピーク磁束密度であり、フェライトコアには多すぎることが文献からわかっています。フェライトは0.4テスラ付近で大きく飽和するため、今やっていることを少し考え直す必要があります。

ギャップが必要かどうかを判断する (ステージ7)

単純に答えは「はい」です。予測されるピーク磁束密度を減らす必要があります。朗報としては、ギャップ付きE38/8/25コアセットを購入できることです。ステージ4からのデータシートのいくつかを覚えていますか？

つまり、ギャップのないコアを2つ選ぶ代わりに、ギャップ付きコアとギャップのないコアを1つ選ぶことができます。これにより、次のコア構造が生成されるようになります。

したがって、ギャップが0.25 mm (250 𝜇m) のコアを選択した場合、AL値は1000に減少します。つまり、1 mHのインダクタンスを生成するにはより多くの巻き数が必要であることを意味します。

• ステージ4からは、1.024 mHを得るために32巻きを使用する必要があります。
• ステージ5からは、ピーク電流は0.927アンペアになるはずです (以前は0.918アンペア)。
• ステージ6から、Hは 1メートルあたり566.1アンペア回数になりました (以前は210.2 At/m)。

そして、216のギャップ透磁率𝜇_eの値を使用して、ピーク磁束密度を再計算できます。

B = 566.1 ×216 ×1.257 ×10^-6 = 0.153テスラ

これは、単に1ギャップを追加する効果を示しています。フライバックコンバーターには 0.2テスラ未満の値が必要になる傾向があるため、これは十分に適合します。(健全性チェックの一種として) シミュレーションによって得られるものは次のとおりです。

数字はかなりうまくまとまっています。Hフィールドが566.1のギャップ付きコアセットでの磁束密度のシミュレーション値は129 mTでしたが、手計算では 153 mTに達しました。Hフィールドが210.2のギャップなし12巻きのコアセットの場合、シミュレーションされた磁束密度は413 mTになります (手計算の414.8 mTに非常に近い)。

概要

まず重要なことは、トランスのフェライトコアを設計するとき、またはフェライトコアコイルを使用するときに、正しい設計手順を使用することです。第二に、実際の最終テストに代わるものはありません。これがハンドメイド（または自家製）の巻き部品に必要なものです。ただし、この記事で実際に説明できるのはその手順だけであり、それに従えば良い結果が得られることを願っています。その過程で、フェライトコアコイルの設計とギャップに関するより深い理解が得られれば、それはおまけです。

ご不明な点がありましたら、Altiumのエキスパートまで電話でお問い合わせください。次のPCB設計に役立つ情報をご案内いたします。