TUTORIAL Inductor Database in the Thermal Module Tutorials/Level-2... · 2021. 1. 11. · For...

14
1 TUTORIAL Inductor Database in the Thermal Module October 2016

Transcript of TUTORIAL Inductor Database in the Thermal Module Tutorials/Level-2... · 2021. 1. 11. · For...

Page 1: TUTORIAL Inductor Database in the Thermal Module Tutorials/Level-2... · 2021. 1. 11. · For example, for Ferroxcube material 3C90, the value µr can be obtained from Page 84 of

    1 

         

  

        

 

  

TUTORIAL

Inductor Database in the Thermal Module

October 2016

Page 2: TUTORIAL Inductor Database in the Thermal Module Tutorials/Level-2... · 2021. 1. 11. · For example, for Ferroxcube material 3C90, the value µr can be obtained from Page 84 of

          Inductor Database in the Thermal Module 

    2 

A typical inductor consists of three main parts: core, bobbin (also called coil former), and winding, as shown below. To construct an inductor in the Thermal Module, three databases are used: core material database, core database, and winding database. 

 

 

 

This tutorial describes how these databases are defined. 

Core Material Database: 

The core material database requires the following information: 

- Manufacturer:  Name of the manufacturer (e.g. Ferroxcube) - Type:    Material type (e.g. Ferrite) - Material:    Material name (e.g. 3F3, 3C90) - mur:    Relative permeability µr of the material at 25oC - Ploss vs. Bpk:  Graph of power loss Ploss vs. peak flux density Bpk - Ploss vs. Tc:  Graph of power loss Ploss vs. core temperature Tc 

All the information can be obtained from the manufacturer datasheet.  

For  example,  for  Ferroxcube material  3C90,  the  value  µr  can  be  obtained  from  Page  84  of  the Ferroxcube datasheet, and the graphs Ploss vs. Bpk and Ploss vs. Tc can be obtained from Page 85 of the datasheet, as shown below (highlighted in the red boxes). 

 

 

 

µr

Core

Bobbin or Coil Former

Page 3: TUTORIAL Inductor Database in the Thermal Module Tutorials/Level-2... · 2021. 1. 11. · For example, for Ferroxcube material 3C90, the value µr can be obtained from Page 84 of

          Inductor Database in the Thermal Module 

    3 

 

To enter this material into the core material database, in PSIM, launch the Device Database Editor from  the  Utilities  menu.  In  the  Device  Database  Editor,  select  Device  >>  Edit  Core  Material Database. On the dialog, click on New, and enter the following: 

- Manufacturer:  Ferroxcube - Type:    Ferrite - Material:    3C90 - mur:    2300 

Click on Add to  list to add the new material to the list on the left. Then click on the Edit button next  to  Ploss  vs.  Bpk  to  capture  all  the  four  curves  of  Ploss  vs.  Bpk.  For  the  graph Ploss  vs.  Tc, capture  the middle  curve  that  corresponds  to  frequency of  200kHz  and Bpk of  100mT. Use  the same procedure as described in Section 4.10.6 of the PSIM User Manual to capture the curves. The database editor dialog will appear as follows: 

 

Page 4: TUTORIAL Inductor Database in the Thermal Module Tutorials/Level-2... · 2021. 1. 11. · For example, for Ferroxcube material 3C90, the value µr can be obtained from Page 84 of

          Inductor Database in the Thermal Module 

    4 

Core Database: 

The core database defines the core and bobbin type and size. It requires the following information: 

- Manufacturer:  Name of the core and bobbin manufacturer (e.g. Ferroxcube) - Type:    Core type (e.g. EE, RM) - Model:    Core model (e.g. EE42/21/15, RM8) - Column Type:  Shape  of  the  center  column.  It  can  be:  0  for  round,  or  1  for 

rectangular. - Shape Type:  Shape of the core. It can be: 0 for Type A, 1 for Type B; and 2 for 

Other Type. - Material:  Supported materials by this core (i.e. 3F3, 3C90, etc.) - Ae:  Effective area, in mm2 - Ve:  Effective volume, in mm3 - Le:  Effective length, in mm - N_col:  Number of column of the core - Diameter1:  Bobbin diameter of a round core, in mm - Diameter2:  Bobbin diameter of a round core, in mm - Diameter3:  Bobbin diameter of a round core, in mm - Height1:  Bobbin height H1, in mm - Height2:  Bobbin height H2, in mm - Width1:  Bobbin width of a rectangular core, in mm - Width2:  Bobbin width of a rectangular core, in mm - Width3:  Bobbin width of a rectangular core, in mm - Depth1:  Bobbin depth of a rectangular core, in mm - Depth2:  Bobbin depth of a rectangular core, in mm - Depth3:  Bobbin depth of a rectangular core, in mm - CoH1:  Core Height 1, in mm - CoH2:  Core Height 2, in mm - CoW1:  Core Width 1 of a Type A core, in mm - CoW2:  Core Width 2 of a Type A core, in mm - CoD:  Core depth of a Type A core, in mm - CoDi1:  Core diameter of a Type B core, in mm - CoE1:  Core space of a Type B core, in mm - Clip Vertical:  Percentage of the clip area in the vertical direction - Clip Horizontal:  Percentage of the clip area in the horizontal direction 

Note that, depending on the type of the cores, not all the parameters are required. 

The effective area,  volume, and  length are  read directly  from  the datasheet.  For Ferroxcube’s E core E42/21/15, for example, the values are marked in the red box below: 

Page 5: TUTORIAL Inductor Database in the Thermal Module Tutorials/Level-2... · 2021. 1. 11. · For example, for Ferroxcube material 3C90, the value µr can be obtained from Page 84 of

          Inductor Database in the Thermal Module 

    5 

 

Bobbin Dimension: 

In general, the column of a core can be either round or rectangular. The core bobbins are shown below. The required parameters are heights, widths, and depths for rectangular cores, and heights and diameters for round cores. 

 

  

 

 

The required dimensions of the bobbin are labelled on the diagram. 

Rectangular leg cores include: E and EFD. Round leg cores include: EC, EP, EQ, P, and RM. 

Core Dimension: 

The shape of a core can be Type A, B, or Other type. The required parameters of Type A and B are marked in the diagram below.  

 

 

 

Depth1

Depth2 Depth3

Width1

Width2

Width3Height1

Height2

Rectangular Leg Core

Height1

Height2

Diameter1

Diameter2

Diameter3

Round Leg Core

Page 6: TUTORIAL Inductor Database in the Thermal Module Tutorials/Level-2... · 2021. 1. 11. · For example, for Ferroxcube material 3C90, the value µr can be obtained from Page 84 of

          Inductor Database in the Thermal Module 

    6 

 

 

             

 

Below are examples of different core bobbins and their dimensions for the core database: 

E Core 1: 

                           

E Core 2: 

                        

 

 

CoH1 CoH2

CoH1 CoH2

CoW1

CoW2

CoD

CoE1 CoDi1

Type A Type B

E42/21/15: Height1 = 26.2  Height2 = 28 Width1 = 15.7 Width2 = 17.9 Width3 = 34 Depth1 = 12.6 Depth2 = 14.6 Depth3 = 29 

E5.3/2.7/2: Height1 = 2.6  Height2 = 3.7 Width1 = 2.15 Width2 = 2.9 Width3 = 4.7 Depth1 = 1.5 Depth2 = 2.3 Depth3 = 3.6 

Page 7: TUTORIAL Inductor Database in the Thermal Module Tutorials/Level-2... · 2021. 1. 11. · For example, for Ferroxcube material 3C90, the value µr can be obtained from Page 84 of

          Inductor Database in the Thermal Module 

    7 

E Core 3: 

                                    

E Core 4: 

                               

EFD Core: 

                     

EC Core: 

                                 

 

E13/7/4: Height1 = 7.1  Height2 = 8.5 Width1 = 3.9 Width2 = 5.2 Width3 = 8.7 Depth1 = 3.9 Depth2 = 5.2 Depth3 = 9.6 

E20/10/5: Height1 = 10.8  Height2 = 12.6 Width1 = 5.3 Width2 = 7 Width3 = 12.7 Depth1 = 5.3 Depth2 = 7 Depth3 = 12.7 

EC35:  Height1 = 21.5  Height2 = 30.5 Diameter1 = 9.85 Diameter2 = 12.2 Diameter3 = 21.9 

EFD15/8/5: Height1 = 9.15  Height2 = 10.4 Width1 = 5.5 Width2 = 6.65 Width3 = 10.55 Depth1 = 2.6 Depth2 = 3.7 Depth3 = 7.5 

Page 8: TUTORIAL Inductor Database in the Thermal Module Tutorials/Level-2... · 2021. 1. 11. · For example, for Ferroxcube material 3C90, the value µr can be obtained from Page 84 of

          Inductor Database in the Thermal Module 

    8 

EP Core: 

                         

EQ Core: 

                           

RM Core 1: 

                              

RM Core 2: 

                                 

EP7:  Height1 = 3.65  Height2 = 4.85 Diameter1 = 3.5 Diameter2 = 4.4 Diameter3 = 7 

Height1 = 4.85‐0.6*2 = 3.65 

RM5/I: Height1 = 4.7  Height2 = 6.1 Diameter1 = 5 Diameter2 = 5.9 Diameter3 = 10.1 

RM6S:  Height1 = 6.26  Height2 = 7.85 Diameter1 = 6.5 Diameter2 = 7.45 Diameter3 = 12.3 

EQ30:  Height1 = 8.4  Height2 = 10 Diameter1 = 11.3 Diameter2 = 12.9 Diameter3 = 25.6 

Page 9: TUTORIAL Inductor Database in the Thermal Module Tutorials/Level-2... · 2021. 1. 11. · For example, for Ferroxcube material 3C90, the value µr can be obtained from Page 84 of

          Inductor Database in the Thermal Module 

    9 

P Core 1: 

                                     

P Core 2: 

                                     

PT Core: 

                              

PQ Core: 

                           

 

 

P9/5:  Height1 = 2.7  Height2 = 3.5 Diameter1 = 4 Diameter2 = 4.78 Diameter3 = 7.35 

P18/11: Height1 = 6  Height2 = 7 Diameter1 = 7.7 Diameter2 = 8.7 Diameter3 = 14.8 

Height1 = 7‐0.5*2 = 6 

PT14/8: Height1 = 4.06  Height2 = 5.51 Diameter1 = 6.15 Diameter2 = 7.16 Diameter3 = 11.53 

PQ20/16: Height1 = 7.82  Height2 = 9.8 Diameter1 = 9 Diameter2 = 10.8 Diameter3 = 17.35 

Page 10: TUTORIAL Inductor Database in the Thermal Module Tutorials/Level-2... · 2021. 1. 11. · For example, for Ferroxcube material 3C90, the value µr can be obtained from Page 84 of

          Inductor Database in the Thermal Module 

    10 

Below are examples of different cores and their dimensions for the core database: 

E Core: 

                                                                

EFD Core: 

                                                                

EC Core: 

                                                                

 

 

 

 

 

 

 

E42/21/15: CoH1 = 14.8*2 = 29.6  CoH2 = 21*2 = 42 CoW1 = 29.5 CoW2 = 43 CoD = 15.2  

EFD10/5/3: CoH1 = 3.75*2 = 7.5  CoH2 = 5.2*2 = 10.4 CoW1 = 7.65 CoW2 = 10.5 CoD = 2.7  

EC35:  CoH1 = 12.3*2 = 24.6  CoH2 = 17.3*2 = 34.6 CoW1 = 22.75 CoW2 = 35.3 CoD = 9.5  

Page 11: TUTORIAL Inductor Database in the Thermal Module Tutorials/Level-2... · 2021. 1. 11. · For example, for Ferroxcube material 3C90, the value µr can be obtained from Page 84 of

          Inductor Database in the Thermal Module 

    11 

EP Core: 

                                                                

EQ Core: 

                                                       

RM Core: 

                                                             

 

 

 

 

EP7:  CoH2 = 7.5  CoW2 = 9.4 CoD = 6.5  

EQ13:  CoH1 = 1.75*2 = 3.5 CoH2 = 2.85*2 = 5.7  CoW1 = 9.05 CoW2 = 12.8 CoD = 8.7  

RM4:  CoH1 = 7 CoH2 = 10.4  CoW1 = 5.8 CoW2 = 11 CoD = 4.6  

Page 12: TUTORIAL Inductor Database in the Thermal Module Tutorials/Level-2... · 2021. 1. 11. · For example, for Ferroxcube material 3C90, the value µr can be obtained from Page 84 of

          Inductor Database in the Thermal Module 

    12 

P Core (Type B): 

                                                       

PT Core (Type B): 

                                                                 

PQ Core: 

                                                                  

P9/5:  CoH1 = 3.6 CoH2 = 5.4  CoDi1 = 9.3 CoE1 = 2  

PT14/8: CoH1 = 5.86 CoH2 = 8.3  CoDi1 = 14.05 CoE1 = 3.3  

PQ20/16: CoH1 = 10.3 CoH2 = 16.2 CoW1 = 12 CoW2 = 21.3 CoD = 14 

Page 13: TUTORIAL Inductor Database in the Thermal Module Tutorials/Level-2... · 2021. 1. 11. · For example, for Ferroxcube material 3C90, the value µr can be obtained from Page 84 of

          Inductor Database in the Thermal Module 

    13 

Winding Database: 

The  winding  database  defines  the  wire  type  and  dimensions  for  the  winding.  It  requires  the following information: 

- Type:    Type of wire. It can be Round, Strip (rectangular), and Litz wire. - Model:    Model name of the wire (e.g. AWG18) - Inner Diameter:    Inner diameter of the wire (for the Round wire) or wire bundle (for 

the Litz wire), in mm - Outer Diameter (1 layer):  Outer diameter of the round wire with 1 layer insulation, or 

outer diameter of the Litz wire bundle with 1 silk layer isolation, in mm 

- Outer Diameter (2 layer2):  Outer diameter of the round wire with 2 layer insulation, or outer diameter of the Litz wire bundle with 2 silk layer isolation, in mm 

- Length:  Length of the Strip wire - Width:  Width of the Strip wire - Insulation Thickness: Insulation thickness of the Strip wire - Diameter Single Wire: Outer diameter of a single Litz wire - Wire Number:  Number of wires in one Litz wire bundle - Wire Bundles:  Number of wire bundle 

The picture below shows these three types of wires: 

 

                                

Their dimensions are defined as below: 

 

                            

The following are examples of the winding definition.  

For an AWG18 round wire: 

- Type:      Round - Model:      AWG18 - Inner Diameter:      1.024 - Outer Diameter (1 layer): 1.0726 - Outer Diameter (2 layers): 1.1243  

Round Strip Litz

Inner Diameter

Outer Diameter

Width

Length Isolation Thickness

Outer Diameter

Inner Diameter

Wire Bundle

Silk Layer

Page 14: TUTORIAL Inductor Database in the Thermal Module Tutorials/Level-2... · 2021. 1. 11. · For example, for Ferroxcube material 3C90, the value µr can be obtained from Page 84 of

          Inductor Database in the Thermal Module 

    14 

For a strip wire with a length of 1.2mm, width of 2mm, and isolation thickness of 0.05mm: 

- Type:      Strip - Model:      ST_1.2_2 - Length:      1.2 - Width:     2 - Isolation Thickness:   0.05 

For  a  Litz wire with:  single wire  diameter  0.04mm,  12 wires  per  bundle,  1  bundle, wire  bundle inner diameter 0.208mm, wire bundle outer diameter 0.243 (1 layer) and 0.278mm (2 layers): 

- Type:      Litz - Model:      1x12x0.04 - Inner Diameter:      0.208 - Outer Diameter (1 layer): 0.243 - Outer Diameter (2 layers): 0.278 - Diameter Single Wire:  0.04 - Wire Number:    12 - Wire Bundle:    1