Le leggi che governano il funzionamento di un trasformatore o induttore sono note fin dagli anni ’30 dell’800, ovvero dal momento in cui Michael Faraday scoprì il principio dell’induzione. Da allora le leggi sono ben note e non si sono registrati cambiamenti radicali nei principi di funzionamento alla base di un componente magnetico. Un progettista elettronico però si trova spesso ad affrontare lo sviluppo di un componente magnetico quasi come se si trattasse di un oggetto “magico” circondato da un alone di mistero. Come è possibile allora che una tecnologia con quasi 200 anni di storia possa talvolta risultare più simile alla kabala che non all’implementazione di una legge fisica? Perché accade questo per i componenti magnetici e non per l’ultimo ed efficientissimo microcontrollore o switch GaN o SiC? La ragione probabilmente risiede nella criticità dell’oggetto magnetico che, nella maggior parte dei casi, rappresenta il componente più ingombrante e costoso dell’intera board oltre al fatto che occorre tener presente numerosi vincoli durante la fase di sviluppo.
Il corretto flusso di design: la scelta della geometria
Che si tratti di un DC DC flyback, forward, half-bridge, full-bridge o altro, occorre prima di tutto selezionare una geometria di nucleo adatta per trasformatori ed induttori. Ma non sempre questa selezione è immediata. Vediamo perché, esistono essenzialmente 2 tecniche note in letteratura:
- Metodo dell’area product (AP): si mettono in relazione la potenza gestita dal power stage, la densità di corrente e l’induzione massima.
L’area product è definita come segue: AP=Ac*Wa
Espressa in mm4 ove Ac è la cross section in riferimento all’area del nucleo e Wa è la finestra disponibile per l’avvolgimento entrambi espressi in mm2.
In base alla potenza gestita dallo stadio di potenza, all’induzione massima ed alla densità di corrente richiesta si può calcolare l’AP richiesto e si individua una classe di nuclei magnetici aventi un AP al minimo uguale oppure maggiore a quello calcolato a priori e solo dopo aver definito la costruzione si verificano le performances in termini di efficienza. Il vantaggio di questa tecnica è che i dati di AP sono spesso reperibili in forma tabellare sui cataloghi dei principali produttori di nuclei. Lo svantaggio è che se non vengono rispettati i requisiti sulla potenza dissipata occorre scegliere un nucleo avente AP superiore e reiterare più volte il processo. In ogni caso esistono varie tipologie di nucleo avente AP simile e pertanto occorre tenere presenti anche i vincoli meccanici.
- Metodo del core geometry Kg : Si mettono in relazione sia la potenza gestita dal componente magnetico che l’efficienza che si vuole ottenere. Sulla base di questi parametri è possibile trovare in letteratura il valore di Kg che serve per l’applicazione. La Kg di un trasformatore (espressa in mm5 ) è definita come segue: Kg=Ac*APMLT
Rispetto all’espressione di AP c’è anche la variabile MLT che rappresenta la lunghezza media della spira del componente magnetico. Il vantaggio di questa tecnica è che si può restringere di molto il numero di iterazioni prima di arrivare alla selezione del nucleo, lo svantaggio è che è raro trovare tabelle dei costruttori del valore di Kg che considerano la diversa tipologia di nucleo ed occorre calcolarlo di volta in volta in via indiretta.
Ovviamente quelli sopra menzionati sono criteri di selezione “generali” che possono darci una indicazione più o meno accurata della tipologia di nuclei che possono essere adatti per una particolare applicazione. Se però ad esempio introduciamo dei requisiti di isolamento molto stringenti potrebbe accadere che si abbia bisogno di più separazione meccanica per garantire i livelli richiesti e che la taglia calcolata con la tecnica di AP o di Kg sia troppo piccola. Ecco perché a prescindere dall’approccio desiderato si procede per via iterativa fino ad ottenere il risultato desiderato.
Quando pensare allo sviluppo del componente magnetico?
Da quanto espresso sopra emerge un’indicazione importante: se si deve rispettare un requisito di efficienza oppure di sovratemperatura si hanno dei limiti dimensionali oltre i quali non è più possibile procedere. Ecco quindi che se i requisiti di cui sopra sono inderogabili risulta consigliabile e conveniente pensare allo sviluppo del componente magnetico fin dalle primissime fasi dello sviluppo di un convertitore ed intorno a questo costruire il resto progetto. Ad esempio se il requisito principale è la massimizzazione dell’efficienza occorrerà tenere presente che si potrebbero avere tendenzialmente dei prodotti un po’ più ingombranti e con materiali più performanti e dal costo superiore. Se in un ulteriore esempio il requisito è una sovratemperatura minore di un certo ΔT e si dovesse trovare in spazi molto contenuti e in aria forzata, si potrebbe accettare di perdere qualche punto di efficienza a fronte di un oggetto più miniaturizzato ma che sfrutti al limite del possibile il nucleo ed i conduttori.
Come sviluppare il componente magnetico: il contributo di ICE
Esistono decine di tools, alcuni anche piuttosto articolati, che aiutano a sviluppare un componente magnetico. La numerosità di variabili in gioco da progetto a progetto e la particolarità dei requisiti che spesso si pongono rendono difficoltoso automatizzare del tutto il design di un componente magnetico. Si pensi ad esempio al caso di un nucleo custom per cui non esiste un corrispondente coilformer che vada sviluppato ad hoc. L’avere inoltre un partner affidabile e con 40 anni di esperienza nel mercato dei componenti magnetici avvolti, che sappia coniugare la fase di sviluppo e co-design alla prototipazione rapida e produzione, che abbia sviluppato e prodotto nel tempo una vasta gamma di articoli aiuta ad avere una indicazione di costo e di throughput produttivo fin da subito. Ulteriore supporto viene fornito anche nel caso in cui si chiede di rispettare dei vincoli normativi sul componente magnetico oppure sui materiali (e.g. UL).
Sulla base delle considerazioni di cui sopra si può intuire a grandi linee perché a volte risulti ostico sfatare “l’occulto mistero del flusso magnetico”: ci sono considerazioni ad ampio spettro figlie di una tecnologia che negli anni si è sempre più verticalizzata e rappresenta un punto cardine dei moderni sistemi di conversione dell’energia elettrica.
