ştiri

Rezumat

Inductoarele sunt componente foarte importante în convertoarele de comutare, cum ar fi depozitarea energiei și filtrele de putere. Există multe tipuri de inductori, cum ar fi pentru diferite aplicații (de la frecvență joasă la frecvență înaltă) sau diferite materiale de bază care afectează caracteristicile inductorului și așa mai departe. Inductoarele utilizate în convertoarele de comutare sunt componente magnetice de înaltă frecvență. Cu toate acestea, din cauza diferiților factori precum materialele, condițiile de funcționare (cum ar fi tensiunea și curentul) și temperatura mediului ambiant, caracteristicile și teoriile prezentate sunt destul de diferite. Prin urmare, în proiectarea circuitului, pe lângă parametrul de bază al valorii inductanței, relația dintre impedanța inductorului și rezistența și frecvența AC, pierderea miezului și caracteristicile curentului de saturație, etc. Acest articol va prezenta mai multe materiale importante ale miezului inductorului și caracteristicile acestora și, de asemenea, va ghida inginerii energetici să aleagă inductori standard disponibile comercial.

Prefaţă

Inductorul este o componentă de inducție electromagnetică, care se formează prin înfășurarea unui anumit număr de bobine (bobină) pe o bobină sau miez cu un fir izolat. Această bobină se numește bobină de inductanță sau Inductor. Conform principiului inducției electromagnetice, atunci când bobina și câmpul magnetic se mișcă unul față de celălalt, sau bobina generează un câmp magnetic alternativ printr-un curent alternativ, va fi generată o tensiune indusă pentru a rezista la schimbarea câmpului magnetic original, iar această caracteristică de reținere a schimbării curentului se numește inductanță.

Formula valorii inductanței este ca formula (1), care este proporțională cu permeabilitatea magnetică, pătratul spirelor N înfășurării și aria secțiunii transversale a circuitului magnetic echivalent Ae și este invers proporțională cu lungimea echivalentă a circuitului magnetic le . Există multe tipuri de inductanță, fiecare potrivită pentru diferite aplicații; inductanța este legată de forma, dimensiunea, metoda de înfășurare, numărul de spire și tipul de material magnetic intermediar.

(1)

În funcție de forma miezului de fier, inductanța include toroidal, miez E și tambur; în ceea ce privește materialul miezului de fier, există în principal miez ceramic și două tipuri magnetice moi. Sunt ferită și pulbere metalică. În funcție de structură sau metoda de ambalare, există sârmă înfășurată, multistrat și turnată, iar firul înfășurat are neecranat și jumătate de adeziv magnetic Ecranat (semi-ecranat) și ecranat (ecranat), etc.

Inductorul acționează ca un scurtcircuit în curent continuu și prezintă impedanță mare la curentul alternativ. Utilizările de bază în circuite includ sufocarea, filtrarea, reglarea și stocarea energiei. În aplicarea convertorului de comutare, inductorul este cea mai importantă componentă de stocare a energiei și formează un filtru trece-jos cu condensatorul de ieșire pentru a reduce ondulația tensiunii de ieșire, deci joacă, de asemenea, un rol important în funcția de filtrare.

Acest articol va prezenta diferitele materiale de bază ale inductoarelor și caracteristicile acestora, precum și unele dintre caracteristicile electrice ale inductoarelor, ca o referință importantă de evaluare pentru selectarea inductoarelor în timpul proiectării circuitelor. În exemplul de aplicare, modul de calcul al valorii inductanței și modul de alegere a unui inductor standard disponibil comercial vor fi introduse prin exemple practice.

Tipul materialului miezului

Inductoarele utilizate în convertoarele de comutare sunt componente magnetice de înaltă frecvență. Materialul miezului din centru afectează cel mai mult caracteristicile inductorului, cum ar fi impedanța și frecvența, valoarea și frecvența inductanței sau caracteristicile de saturație a miezului. Următoarele vor introduce compararea mai multor materiale comune cu miez de fier și caracteristicile lor de saturație ca referință importantă pentru selectarea inductoarelor de putere:

1. Miez ceramic

Miezul ceramic este unul dintre materialele comune de inductanță. Este folosit în principal pentru a oferi structura de susținere utilizată la înfășurarea bobinei. Se mai numește și „inductor de miez de aer”. Deoarece miezul de fier utilizat este un material nemagnetic cu un coeficient de temperatură foarte scăzut, valoarea inductanței este foarte stabilă în intervalul de temperatură de funcționare. Cu toate acestea, datorită materialului nemagnetic ca mediu, inductanța este foarte scăzută, ceea ce nu este foarte potrivit pentru aplicarea convertoarelor de putere.

2. Ferită

Miezul de ferită utilizat în inductoarele de înaltă frecvență este un compus de ferită care conține nichel zinc (NiZn) sau mangan zinc (MnZn), care este un material feromagnetic magnetic moale cu coercivitate scăzută. Figura 1 prezintă curba de histerezis (bucla BH) a unui miez magnetic general. Forța coercitivă HC a unui material magnetic se mai numește și forță coercitivă, ceea ce înseamnă că atunci când materialul magnetic a fost magnetizat la saturație magnetică, magnetizarea (magnetizarea) sa este redusă la zero. Intensitatea câmpului magnetic necesară la momentul respectiv. Coercivitate mai mică înseamnă rezistență mai mică la demagnetizare și, de asemenea, pierderi de histerezis mai mici.

Ferite mangan-zinc și nichel-zinc au o permeabilitate relativ mare (μr), aproximativ 1500-15000 și, respectiv, 100-1000. Permeabilitatea lor magnetică ridicată face ca miezul de fier să fie mai ridicat într-un anumit volum. Inductanța. Cu toate acestea, dezavantajul este că curentul de saturație tolerabil este scăzut și, odată ce miezul de fier este saturat, permeabilitatea magnetică va scădea brusc. Consultați Figura 4 pentru tendința de scădere a permeabilității magnetice a miezurilor de ferită și pulbere de fier atunci când miezul de fier este saturat. Comparaţie. Când este utilizat în inductoarele de putere, un spațiu de aer va fi lăsat în circuitul magnetic principal, ceea ce poate reduce permeabilitatea, poate evita saturația și poate stoca mai multă energie; atunci când întrefierul este inclus, permeabilitatea relativă echivalentă poate fi de aproximativ 20- Între 200. Deoarece rezistivitatea ridicată a materialului în sine poate reduce pierderea cauzată de curent turbionar, pierderea este mai mică la frecvențe înalte și este mai potrivită pentru transformatoare de înaltă frecvență, inductori cu filtru EMI și inductori de stocare a energiei ale convertoarelor de putere. În ceea ce privește frecvența de funcționare, ferita de nichel-zinc este potrivită pentru utilizare (>1 MHz), în timp ce ferita de mangan-zinc este potrivită pentru benzile de frecvență mai joasă (<2 MHz).

1

Figura 1. Curba de histerezis a miezului magnetic (BR: remanență; BSAT: densitate a fluxului magnetic de saturație)

3. Miez de fier pulbere

Miezurile de fier din pulbere sunt, de asemenea, materiale feromagnetice moi-magnetice. Sunt realizate din aliaje de pulbere de fier din diferite materiale sau numai pulbere de fier. Formula conține materiale nemagnetice cu diferite dimensiuni ale particulelor, astfel încât curba de saturație este relativ blândă. Miezul de fier din pulbere este în mare parte toroidal. Figura 2 prezintă miezul de fier din pulbere și vedere în secțiune transversală a acestuia.

Miezurile obișnuite de pulbere de fier includ aliajul de fier-nichel-molibden (MPP), sendust (Sendust), aliajul de fier-nichel (flux mare) și miezul de pulbere de fier (pulbere de fier). Din cauza diferitelor componente, caracteristicile și prețurile sale sunt, de asemenea, diferite, ceea ce afectează alegerea inductoarelor. Următoarele vor introduce tipurile de bază menționate mai sus și vor compara caracteristicile acestora:

A. Aliaj fier-nichel-molibden (MPP)

Aliajul Fe-Ni-Mo este prescurtat ca MPP, care este abrevierea pulberii de molypermalloy. Permeabilitatea relativă este de aproximativ 14-500, iar densitatea fluxului magnetic de saturație este de aproximativ 7500 Gauss (Gauss), care este mai mare decât densitatea fluxului magnetic de saturație a feritei (aproximativ 4000-5000 Gauss). Mulți afară. MPP are cea mai mică pierdere de fier și are cea mai bună stabilitate la temperatură dintre miezurile de fier din pulbere. Când curentul DC extern atinge curentul de saturație ISAT, valoarea inductanței scade lent, fără atenuare bruscă. MPP are performanțe mai bune, dar costuri mai mari și este de obicei folosit ca inductor de putere și filtrare EMI pentru convertoarele de putere.

B. Sendust

Miezul de fier din aliaj de fier-siliciu-aluminiu este un miez de fier din aliaj compus din fier, siliciu și aluminiu, cu o permeabilitate magnetică relativă de aproximativ 26 până la 125. Pierderea de fier este între miezul de pulbere de fier și MPP și aliajul fier-nichel. . Densitatea fluxului magnetic de saturație este mai mare decât MPP, aproximativ 10500 Gauss. Stabilitatea temperaturii și caracteristicile curentului de saturație sunt ușor inferioare MPP și aliajului fier-nichel, dar mai bune decât miezul de pulbere de fier și miezul de ferită, iar costul relativ este mai ieftin decât MPP și aliajul fier-nichel. Este folosit mai ales în filtrarea EMI, circuitele de corecție a factorului de putere (PFC) și inductoarele de putere ale convertoarelor de putere comutatoare.

C. Aliaj fier-nichel (flux mare)

Miezul din aliaj fier-nichel este realizat din fier și nichel. Permeabilitatea magnetică relativă este de aproximativ 14-200. Pierderea fierului și stabilitatea temperaturii sunt între MPP și aliajul fier-siliciu-aluminiu. Miezul din aliaj fier-nichel are cea mai mare densitate a fluxului magnetic de saturație, aproximativ 15.000 Gauss, și poate rezista curenților de polarizare DC mai mari, iar caracteristicile de polarizare DC sunt, de asemenea, mai bune. Domeniul de aplicare: corecția factorului de putere activă, inductanța de stocare a energiei, inductanța filtrului, transformatorul de înaltă frecvență al convertorului flyback etc.

D. Pulbere de fier

Miezul de pulbere de fier este format din particule de pulbere de fier de înaltă puritate, cu particule foarte mici care sunt izolate unele de altele. Procesul de fabricație îl face să aibă un spațiu de aer distribuit. Pe lângă forma inelului, formele obișnuite ale miezului de pulbere de fier au și tipuri de tip E și ștanțare. Permeabilitatea magnetică relativă a miezului de pulbere de fier este de aproximativ 10 până la 75, iar densitatea fluxului magnetic de saturație ridicată este de aproximativ 15000 Gauss. Dintre miezurile de pulbere de fier, miezul de pulbere de fier are cea mai mare pierdere de fier, dar cel mai mic cost.

Figura 3 prezintă curbele BH ale feritei de mangan-zinc PC47 fabricate de TDK și miezuri de fier sub formă de pulbere -52 și -2 fabricate de MICROMETALS; permeabilitatea magnetică relativă a feritei de mangan-zinc este mult mai mare decât cea a miezurilor de fier sub formă de pulbere și este saturată.

3

Figura 3. Curba BH a miezurilor de ferită mangan-zinc și pulbere de fier din diferite materiale

În rezumat, caracteristicile de saturație ale miezului de fier sunt diferite; odată ce curentul de saturație este depășit, permeabilitatea magnetică a miezului de ferită va scădea brusc, în timp ce miezul de pulbere de fier poate scădea încet. Figura 4 prezintă caracteristicile scăderii permeabilității magnetice ale unui miez de pulbere de fier cu aceeași permeabilitate magnetică și a unei ferite cu un spațiu de aer sub intensități diferite ale câmpului magnetic. Acest lucru explică, de asemenea, inductanța miezului de ferită, deoarece permeabilitatea scade brusc atunci când miezul este saturat, așa cum se poate vedea din ecuația (1), de asemenea, face ca inductanța să scadă brusc; în timp ce miezul de pulbere cu spațiu de aer distribuit, permeabilitatea magnetică Rata scade lent atunci când miezul de fier este saturat, astfel încât inductanța scade mai ușor, adică are caracteristici de polarizare DC mai bune. În aplicarea convertoarelor de putere, această caracteristică este foarte importantă; dacă caracteristica de saturație lentă a inductorului nu este bună, curentul inductorului crește la curentul de saturație, iar scăderea bruscă a inductanței va face ca tensiunea curentă a cristalului de comutare să crească brusc, ceea ce este ușor de cauzat daune.

4

Figura 4. Caracteristicile scăderii permeabilității magnetice ale miezului de fier din pulbere și ale miezului de fier ferită cu spațiu de aer sub intensitatea câmpului magnetic diferit.

Caracteristicile electrice ale inductorului și structura pachetului

Atunci când proiectați un convertor de comutare și selectați un inductor, valoarea inductanței L, impedanța Z, rezistența AC ACR și valoarea Q (factorul de calitate), curentul nominal IDC și ISAT și pierderea miezului (pierderea miezului) și alte caracteristici electrice importante sunt toate obligatorii. fi luat în considerare. În plus, structura de ambalare a inductorului va afecta magnitudinea scurgerii magnetice, care la rândul său afectează EMI. Următoarele vor discuta caracteristicile menționate mai sus separat ca considerații pentru selectarea inductorilor.

1. Valoarea inductanței (L)

Valoarea inductanței unui inductor este cel mai important parametru de bază în proiectarea circuitului, dar trebuie verificat dacă valoarea inductanței este stabilă la frecvența de funcționare. Valoarea nominală a inductanței este de obicei măsurată la 100 kHz sau 1 MHz fără o polarizare DC externă. Și pentru a asigura posibilitatea producției automate în masă, toleranța inductorului este de obicei ±20% (M) și ±30% (N). Figura 5 este graficul caracteristicilor inductanței-frecvență al inductorului Taiyo Yuden NR4018T220M măsurat cu contorul LCR al lui Wayne Kerr. După cum se arată în figură, curba valorii inductanței este relativ plată înainte de 5 MHz, iar valoarea inductanței poate fi aproape privită ca o constantă. În banda de înaltă frecvență datorită rezonanței generate de capacitatea și inductanța parazită, valoarea inductanței va crește. Această frecvență de rezonanță se numește frecvență de auto-rezonanță (SRF), care de obicei trebuie să fie mult mai mare decât frecvența de operare.

5

Figura 5, diagrama de măsurare a caracteristicii inductanței-frecvenței Taiyo Yuden NR4018T220M

2. Impedanta (Z)

După cum se arată în Figura 6, diagrama impedanței poate fi văzută și din performanța inductanței la frecvențe diferite. Impedanța inductorului este aproximativ proporțională cu frecvența (Z=2πfL), deci cu cât frecvența este mai mare, reactanța va fi mult mai mare decât rezistența AC, astfel că impedanța se comportă ca o inductanță pură (faza este de 90˚). La frecvențe înalte, datorită efectului de capacitate parazită, se poate vedea punctul de frecvență autorezonant al impedanței. După acest punct, impedanța scade și devine capacitivă, iar faza se schimbă treptat la -90 ˚.

6

3. Valoarea Q și rezistența AC (ACR)

Valoarea Q în definiția inductanței este raportul dintre reactanță și rezistență, adică raportul dintre partea imaginară și partea reală a impedanței, ca în formula (2).

(2)

Unde XL este reactanța inductorului și RL este rezistența AC a inductorului.

În domeniul de frecvență joasă, rezistența AC este mai mare decât reactanța cauzată de inductanță, astfel încât valoarea sa Q este foarte scăzută; pe măsură ce frecvența crește, reactanța (aproximativ 2πfL) devine din ce în ce mai mare, chiar dacă rezistența datorată efectului pielii (efectul pielii) și efectului de proximitate (proximitate) Efectul devine din ce în ce mai mare, iar valoarea Q crește în continuare odată cu frecvența ; când se apropie de SRF, reactanța inductivă este compensată treptat de reactanța capacitivă, iar valoarea Q devine treptat mai mică; când SRF devine zero, deoarece reactanța inductivă și reactanța capacitivă sunt complet aceleași. Dispare. Figura 7 arată relația dintre valoarea Q și frecvența lui NR4018T220M, iar relația este sub forma unui clopot inversat.

7

Figura 7. Relația dintre valoarea Q și frecvența inductorului Taiyo Yuden NR4018T220M

În banda de frecvență de aplicare a inductanței, cu cât valoarea Q este mai mare, cu atât mai bine; înseamnă că reactanța sa este mult mai mare decât rezistența AC. În general, cea mai bună valoare Q este peste 40, ceea ce înseamnă că calitatea inductorului este bună. Cu toate acestea, în general, pe măsură ce polarizarea DC crește, valoarea inductanței va scădea și valoarea Q va scădea, de asemenea. Dacă se utilizează sârmă emailată plată sau sârmă emailată cu mai multe fire, efectul de piele, adică rezistența AC, poate fi redus, iar valoarea Q a inductorului poate fi, de asemenea, crescută.

Rezistența DC DCR este în general privită ca rezistența DC a firului de cupru, iar rezistența poate fi calculată în funcție de diametrul și lungimea firului. Cu toate acestea, majoritatea inductoarelor SMD de curent scăzut vor folosi sudarea cu ultrasunete pentru a face foaia de cupru a SMD la terminalul de înfășurare. Cu toate acestea, deoarece firul de cupru nu este lung în lungime și valoarea rezistenței nu este mare, rezistența la sudare reprezintă adesea o proporție considerabilă din rezistența totală DC. Luând ca exemplu inductorul SMD cu fir bobinat al TDK CLF6045NIT-1R5N, rezistența DC măsurată este de 14,6 mΩ, iar rezistența DC calculată pe baza diametrului și lungimea firului este de 12,1 mΩ. Rezultatele arată că această rezistență la sudare reprezintă aproximativ 17% din rezistența totală DC.

Rezistența la AC ACR are efect de piele și efect de proximitate, ceea ce va determina creșterea ACR cu frecvența; în aplicarea inductanței generale, deoarece componenta AC este mult mai mică decât componenta DC, influența cauzată de ACR nu este evidentă; dar la sarcină ușoară, Deoarece componenta DC este redusă, pierderea cauzată de ACR nu poate fi ignorată. Efectul pielii înseamnă că, în condiții de curent alternativ, distribuția curentului în interiorul conductorului este neuniformă și concentrată pe suprafața firului, rezultând o reducere a ariei secțiunii transversale echivalente a firului, care la rândul său crește rezistența echivalentă a firului cu frecvenţă. În plus, într-o înfășurare a firului, firele adiacente vor provoca adăugarea și scăderea câmpurilor magnetice din cauza curentului, astfel încât curentul să fie concentrat pe suprafața adiacentă firului (sau pe cea mai îndepărtată suprafață, în funcție de direcția curentului). ), care provoacă și interceptarea firelor echivalente. Fenomenul că aria scade și rezistența echivalentă crește este așa-numitul efect de proximitate; în aplicarea inductanței unei înfășurări multistrat, efectul de proximitate este și mai evident.

8

Figura 8 arată relația dintre rezistența de curent alternativ și frecvența inductorului SMD cu fir bobinat NR4018T220M. La o frecvență de 1kHz, rezistența este de aproximativ 360mΩ; la 100kHz, rezistența crește la 775mΩ; la 10MHz, valoarea rezistenței este aproape de 160Ω. La estimarea pierderii de cupru, calculul trebuie să ia în considerare ACR cauzat de efectele pielii și de proximitate și să-l modifice la formula (3).

4. Curent de saturație (ISAT)

Curentul de saturație ISAT este, în general, curentul de polarizare marcat atunci când valoarea inductanței este atenuată, cum ar fi 10%, 30% sau 40%. Pentru ferita de aer, deoarece caracteristica curentului de saturație este foarte rapidă, nu există o diferență prea mare între 10% și 40%. Consultați Figura 4. Cu toate acestea, dacă este un miez de pulbere de fier (cum ar fi un inductor ștanțat), curba de saturație este relativ blândă, așa cum se arată în Figura 9, curentul de polarizare la 10% sau 40% din atenuarea inductanței este mult diferit, astfel încât valoarea curentului de saturație va fi discutată separat pentru cele două tipuri de miezuri de fier, după cum urmează.

Pentru o ferită cu spațiu de aer, este rezonabil să se utilizeze ISAT ca limită superioară a curentului maxim al inductorului pentru aplicațiile de circuit. Cu toate acestea, dacă este un miez de pulbere de fier, din cauza caracteristicii de saturație lentă, nu va fi nicio problemă chiar dacă curentul maxim al circuitului de aplicare depășește ISAT. Prin urmare, această caracteristică a miezului de fier este cea mai potrivită pentru aplicațiile de comutare a convertoarelor. Sub sarcină mare, deși valoarea inductanței inductorului este scăzută, așa cum se arată în Figura 9, factorul de ondulare a curentului este mare, dar toleranța curentului condensatorului curent este mare, deci nu va fi o problemă. Sub sarcină ușoară, valoarea inductanței inductorului este mai mare, ceea ce ajută la reducerea curentului de ondulare al inductorului, reducând astfel pierderea de fier. Figura 9 compară curba curentului de saturație a feritei bobinate SLF7055T1R5N de la TDK și a inductorului de miez de pulbere de fier ștanțat SPM6530T1R5M sub aceeași valoare nominală a inductanței.

9

Figura 9. Curba curentului de saturație a feritei înfășurate și a miezului de pulbere de fier ștanțat sub aceeași valoare nominală a inductanței

5. Curent nominal (IDC)

Valoarea IDC este polarizarea DC atunci când temperatura inductorului crește la Tr˚C. Specificațiile indică, de asemenea, valoarea rezistenței DC RDC la 20˚C. Conform coeficientului de temperatură al firului de cupru este de aproximativ 3.930 ppm, când temperatura lui Tr crește, valoarea rezistenței sale este RDC_Tr = RDC (1+0,00393Tr), iar consumul său de energie este PCU = I2DCxRDC. Această pierdere de cupru este disipată pe suprafața inductorului, iar rezistența termică ΘTH a inductorului poate fi calculată:

(2)

Tabelul 2 se referă la fișa tehnică a seriei TDK VLS6045EX (6,0×6,0×4,5mm) și calculează rezistența termică la o creștere a temperaturii de 40˚C. Evident, pentru inductori de aceeași serie și dimensiune, rezistența termică calculată este aproape aceeași datorită aceleiași zone de disipare a căldurii de suprafață; cu alte cuvinte, curentul nominal IDC al diferitelor inductori poate fi estimat. Diferite serii (pachete) de inductori au rezistențe termice diferite. Tabelul 3 compară rezistența termică a inductoarelor din seria TDK VLS6045EX (semi-ecranată) și din seria SPM6530 (mulată). Cu cât rezistența termică este mai mare, cu atât este mai mare creșterea temperaturii generată atunci când inductanța trece prin curentul de sarcină; în caz contrar, mai jos.

(2)

Tabel 2. Rezistența termică a inductoarelor din seria VLS6045EX la o creștere a temperaturii de 40˚C

Din Tabelul 3 se poate observa că, chiar dacă dimensiunea inductoarelor este similară, rezistența termică a inductoarelor ștanțate este scăzută, adică disiparea căldurii este mai bună.

(3)

Tabelul 3. Comparația rezistenței termice a diferitelor bobine de bobine.

6. Pierderea miezului

Pierderea miezului, denumită pierdere de fier, este cauzată în principal de pierderea curenților turbionari și pierderea prin histerezis. Mărimea pierderii cu curent turbionar depinde în principal de faptul dacă materialul miezului este ușor de „condus”; dacă conductivitatea este mare, adică rezistivitatea este scăzută, pierderea curentului turbionar este mare, iar dacă rezistivitatea feritei este mare, pierderea curentului turbionar este relativ scăzută. Pierderea curenților turbionari este, de asemenea, legată de frecvență. Cu cât frecvența este mai mare, cu atât este mai mare pierderea curenților turbionari. Prin urmare, materialul miezului va determina frecvența de funcționare adecvată a miezului. În general, frecvența de lucru a miezului de pulbere de fier poate ajunge la 1MHz, iar frecvența de lucru a feritei poate ajunge la 10MHz. Dacă frecvența de funcționare depășește această frecvență, pierderea curenților turbionari va crește rapid și temperatura miezului de fier va crește, de asemenea. Cu toate acestea, odată cu dezvoltarea rapidă a materialelor cu miez de fier, miezurile de fier cu frecvențe de operare mai mari ar trebui să fie chiar după colț.

O altă pierdere de fier este pierderea de histerezis, care este proporțională cu aria cuprinsă de curba de histerezis, care este legată de amplitudinea de balansare a componentei AC a curentului; cu cât variația AC este mai mare, cu atât pierderea prin histerezis este mai mare.

În circuitul echivalent al unui inductor, un rezistor conectat în paralel cu inductorul este adesea folosit pentru a exprima pierderea de fier. Când frecvența este egală cu SRF, reactanța inductivă și reactanța capacitivă se anulează, iar reactanța echivalentă este zero. În acest moment, impedanța inductorului este echivalentă cu rezistența la pierderea fierului în serie cu rezistența înfășurării, iar rezistența la pierderea fierului este mult mai mare decât rezistența înfășurării, deci impedanța la SRF este aproximativ egală cu rezistența la pierderea fierului. Luând ca exemplu un inductor de joasă tensiune, rezistența sa la pierderea fierului este de aproximativ 20 kΩ. Dacă valoarea efectivă a tensiunii la ambele capete ale inductorului este estimată la 5V, pierderea sa de fier este de aproximativ 1,25 mW, ceea ce arată, de asemenea, că cu cât rezistența la pierderea fierului este mai mare, cu atât mai bine.

7. Structura scutului

Structura de ambalare a inductoarelor de ferită include neecranate, semi-ecranate cu adeziv magnetic și ecranate, iar în oricare dintre ele există un spațiu de aer considerabil. Evident, spațiul de aer va avea scurgeri magnetice și, în cel mai rău caz, va interfera cu circuitele de semnal mici din jur, sau dacă există un material magnetic în apropiere, inductanța acestuia va fi, de asemenea, modificată. O altă structură de ambalare este un inductor de pulbere de fier ștanțat. Deoarece nu există un spațiu în interiorul inductorului și structura înfășurării este solidă, problema disipării câmpului magnetic este relativ mică. Figura 10 este utilizarea funcției FFT a osciloscopului RTO 1004 pentru a măsura mărimea câmpului magnetic de scurgere la 3 mm deasupra și pe partea laterală a inductorului ștanțat. Tabelul 4 prezintă comparația câmpului magnetic de scurgere a diferitelor inductori cu structură de pachet. Se poate observa că inductoarele neecranate au cea mai gravă scurgere magnetică; inductoarele ștanțate au cea mai mică scurgere magnetică, arătând cel mai bun efect de ecranare magnetică. . Diferența de mărime a câmpului magnetic de scurgere al inductoarelor acestor două structuri este de aproximativ 14 dB, adică de aproape 5 ori.

10

Figura 10. Mărimea câmpului magnetic de scurgere măsurată la 3 mm deasupra și pe partea laterală a inductorului ștanțat

(4)

Tabelul 4. Comparația câmpului magnetic de scurgere a diferitelor inductori cu structură de pachet

8. cuplare

În unele aplicații, uneori există mai multe seturi de convertoare DC pe PCB, care sunt de obicei aranjate unul lângă celălalt, iar inductoarele corespunzătoare sunt, de asemenea, aranjate unul lângă celălalt. Dacă utilizați un tip neecranat sau semi-ecranat cu lipici magnetic, inductoarele pot fi cuplate între ele pentru a forma interferențe EMI. Prin urmare, atunci când plasați inductorul, se recomandă să marcați mai întâi polaritatea inductorului și să conectați punctul de pornire și de înfășurare al stratului cel mai interior al inductorului la tensiunea de comutare a convertorului, cum ar fi VSW-ul unui convertor buck, care este punctul de mișcare. Terminalul de ieșire este conectat la condensatorul de ieșire, care este punctul static; înfăşurarea firului de cupru formează deci un anumit grad de ecranare a câmpului electric. În aranjamentul cablajului multiplexorului, fixarea polarității inductanței ajută la fixarea mărimii inductanței reciproce și la evitarea unor probleme EMI neașteptate.

Aplicatii:

Capitolul anterior a discutat despre materialul miezului, structura pachetului și caracteristicile electrice importante ale inductorului. Acest capitol va explica cum să alegeți valoarea adecvată a inductanței convertorului buck și considerentele pentru alegerea unui inductor disponibil comercial.

După cum se arată în ecuația (5), valoarea inductorului și frecvența de comutare a convertorului vor afecta curentul de ondulare a inductorului (ΔiL). Curentul de ondulare al inductorului va curge prin condensatorul de ieșire și va afecta curentul de ondulare al condensatorului de ieșire. Prin urmare, va afecta selecția condensatorului de ieșire și va afecta în continuare mărimea ondulației tensiunii de ieșire. În plus, valoarea inductanței și valoarea capacității de ieșire vor afecta, de asemenea, designul de feedback al sistemului și răspunsul dinamic al sarcinii. Alegerea unei valori mai mari a inductanței are mai puțină tensiune de curent asupra condensatorului și este, de asemenea, benefică pentru reducerea ondulației tensiunii de ieșire și poate stoca mai multă energie. Cu toate acestea, o valoare mai mare a inductanței indică un volum mai mare, adică un cost mai mare. Prin urmare, la proiectarea convertorului, proiectarea valorii inductanței este foarte importantă.

(5)

Din formula (5) se poate observa că atunci când decalajul dintre tensiunea de intrare și tensiunea de ieșire este mai mare, curentul de ondulare a inductorului va fi mai mare, ceea ce este cea mai proastă condiție a proiectării inductorului. Împreună cu alte analize inductive, punctul de proiectare a inductanței convertorului descendente ar trebui de obicei selectat în condițiile tensiunii maxime de intrare și sarcină maximă.

La proiectarea valorii inductanței, este necesar să se facă un compromis între curentul de ondulare a inductorului și dimensiunea inductorului, iar factorul de curent de ondulare (factorul de curent de ondulare; γ) este definit aici, ca în formula (6).

(6)

Înlocuind formula (6) în formula (5), valoarea inductanței poate fi exprimată ca formula (7).

(7)

Conform formulei (7), atunci când diferența dintre tensiunea de intrare și de ieșire este mai mare, valoarea γ poate fi selectată mai mare; dimpotrivă, dacă tensiunea de intrare și de ieșire sunt mai apropiate, proiectarea valorii γ trebuie să fie mai mică. Pentru a alege între curentul de ondulare a inductorului și dimensiune, în conformitate cu valoarea experienței tradiționale de proiectare, γ este de obicei între 0,2 și 0,5. Următorul ia RT7276 ca exemplu pentru a ilustra calculul inductanței și selecția inductoarelor disponibile comercial.

Exemplu de proiectare: proiectat cu un convertor descendente cu redresare sincronă RT7276 avansată constantă de pornire (Advanced Constant On-Time; ACOTTM), frecvența de comutare este de 700 kHz, tensiunea de intrare este de 4,5 V până la 18 V și tensiunea de ieșire este de 1,05 V . Curentul de sarcină maximă este de 3A. După cum s-a menționat mai sus, valoarea inductanței trebuie proiectată în condițiile tensiunii de intrare maxime de 18V și sarcina maximă de 3A, valoarea lui γ este luată ca 0,35, iar valoarea de mai sus este înlocuită în ecuația (7), inductanța valoarea este

Utilizați un inductor cu o valoare nominală convențională a inductanței de 1,5 µH. Înlocuiți formula (5) pentru a calcula curentul de ondulare a inductorului după cum urmează.

Prin urmare, curentul de vârf al inductorului este

Și valoarea efectivă a curentului inductorului (IRMS) este

Deoarece componenta de ondulare a inductorului este mică, valoarea efectivă a curentului inductorului este în principal componenta sa DC, iar această valoare efectivă este utilizată ca bază pentru selectarea curentului nominal al inductorului IDC. Cu un design cu 80% derating, cerințele de inductanță sunt:

L = 1,5 µH (100 kHz), IDC = 3,77 A, ISAT = 4,34 A

Tabelul 5 listează inductorii disponibili din diferite serii de TDK, similare ca dimensiune, dar diferite ca structură de pachet. Din tabel se poate observa că curentul de saturație și curentul nominal al inductorului ștanțat (SPM6530T-1R5M) sunt mari, iar rezistența termică este mică, iar disiparea căldurii este bună. În plus, conform discuției din capitolul anterior, materialul de miez al inductorului ștanțat este miezul de pulbere de fier, deci este comparat cu miezul de ferită al inductoarelor semi-ecranate (VLS6045EX-1R5N) și ecranate (SLF7055T-1R5N). cu lipici magnetic. , Are caracteristici bune de polarizare DC. Figura 11 arată compararea eficienței diferitelor inductori aplicate la convertorul descendente cu rectificare sincronă avansată constantă RT7276. Rezultatele arată că diferența de eficiență între cele trei nu este semnificativă. Dacă luați în considerare disiparea căldurii, caracteristicile de polarizare DC și problemele de disipare a câmpului magnetic, se recomandă utilizarea inductoarelor SPM6530T-1R5M.

(5)

Tabelul 5. Comparația inductanțelor diferitelor serii de TDK

11

Figura 11. Comparația eficienței convertorului cu diferite inductori

Dacă alegeți aceeași structură de pachet și valoarea inductanței, dar inductori de dimensiuni mai mici, cum ar fi SPM4015T-1R5M (4,4 × 4,1 × 1,5 mm), deși dimensiunea sa este mică, dar rezistența DC RDC (44.5mΩ) și rezistența termică ΘTH ( 51˚C) /W) Mai mare. Pentru convertoarele cu aceleași specificații, valoarea efectivă a curentului tolerat de inductor este, de asemenea, aceeași. Evident, rezistența DC va reduce eficiența sub sarcină grea. În plus, o rezistență termică mare înseamnă o slabă disipare a căldurii. Prin urmare, atunci când alegeți un inductor, nu este necesar doar să luați în considerare beneficiile dimensiunii reduse, ci și să evaluați deficiențele acestuia.

În concluzie

Inductanța este una dintre componentele pasive utilizate în mod obișnuit în convertoarele de putere comutatoare, care poate fi utilizată pentru stocarea și filtrarea energiei. Cu toate acestea, în proiectarea circuitelor, nu numai valoarea inductanței trebuie acordată atenție, ci și alți parametri, inclusiv rezistența AC și valoarea Q, toleranța de curent, saturația miezului de fier și structura pachetului etc., sunt toți parametri care trebuie să fie. trebuie luate în considerare atunci când alegeți un inductor. . Acești parametri sunt de obicei legați de materialul de bază, procesul de fabricație și dimensiunea și costul. Prin urmare, acest articol prezintă caracteristicile diferitelor materiale cu miez de fier și cum să alegeți o inductanță adecvată ca referință pentru proiectarea sursei de alimentare.