notícies

Resum

Els inductors són components molt importants en els convertidors de commutació, com ara l'emmagatzematge d'energia i els filtres de potència. Hi ha molts tipus d'inductors, com per a diferents aplicacions (des de baixa freqüència a alta freqüència), o diferents materials bàsics que afecten les característiques de l'inductor, etc. Els inductors utilitzats en els convertidors de commutació són components magnètics d'alta freqüència. No obstant això, a causa de diversos factors com els materials, les condicions de funcionament (com la tensió i el corrent) i la temperatura ambient, les característiques i teories presentades són força diferents. Per tant, en el disseny del circuit, a més del paràmetre bàsic del valor de la inductància, encara s'ha de tenir en compte la relació entre la impedància de l'inductor i la resistència i la freqüència de CA, la pèrdua del nucli i les característiques del corrent de saturació, etc. Aquest article introduirà diversos materials importants del nucli de l'inductor i les seves característiques, i també guiarà els enginyers elèctrics a triar els inductors estàndard disponibles comercialment.

Pròleg

L'inductor és un component d'inducció electromagnètica, que es forma enrotllant un cert nombre de bobines (bobina) en una bobina o nucli amb un cable aïllat. Aquesta bobina s'anomena bobina d'inductància o inductor. Segons el principi d'inducció electromagnètica, quan la bobina i el camp magnètic es mouen entre si, o la bobina genera un camp magnètic altern mitjançant un corrent altern, es generarà una tensió induïda per resistir el canvi del camp magnètic original, i aquesta característica de frenar el canvi de corrent s'anomena inductància.

La fórmula del valor de la inductància és la fórmula (1), que és proporcional a la permeabilitat magnètica, el quadrat de les espires del bobinat N i l'àrea de secció transversal del circuit magnètic equivalent Ae, i és inversament proporcional a la longitud del circuit magnètic equivalent le . Hi ha molts tipus d'inductància, cadascun adequat per a diferents aplicacions; la inductància està relacionada amb la forma, la mida, el mètode de bobinat, el nombre de voltes i el tipus de material magnètic intermedi.

(1)

Depenent de la forma del nucli de ferro, la inductància inclou toroidal, nucli E i tambor; Pel que fa al material del nucli de ferro, hi ha principalment un nucli ceràmic i dos tipus magnètics suaus. Són ferrita i pols metàl·lica. Depenent de l'estructura o el mètode d'embalatge, hi ha filferro bobinat, multicapa i modelat, i el filferro bobinat no té apantallament i la meitat de cola magnètica Blindat (semiblintat) i blindat (protegit), etc.

L'inductor actua com un curtcircuit en corrent continu, i presenta una alta impedància al corrent altern. Els usos bàsics dels circuits inclouen l'asfixia, el filtratge, l'afinació i l'emmagatzematge d'energia. En l'aplicació del convertidor de commutació, l'inductor és el component d'emmagatzematge d'energia més important i forma un filtre de pas baix amb el condensador de sortida per reduir la ondulació de la tensió de sortida, de manera que també juga un paper important en la funció de filtratge.

Aquest article introduirà els diferents materials bàsics dels inductors i les seves característiques, així com algunes de les característiques elèctriques dels inductors, com a referència d'avaluació important per seleccionar inductors durant el disseny del circuit. A l'exemple d'aplicació, s'introduirà a través d'exemples pràctics com calcular el valor de la inductància i com triar un inductor estàndard disponible comercialment.

Tipus de material del nucli

Els inductors utilitzats en els convertidors de commutació són components magnètics d'alta freqüència. El material del nucli al centre afecta més les característiques de l'inductor, com ara la impedància i la freqüència, el valor i la freqüència de la inductància o les característiques de saturació del nucli. A continuació es presentarà la comparació de diversos materials de nucli de ferro comuns i les seves característiques de saturació com a referència important per seleccionar inductors de potència:

1. Nucli ceràmic

El nucli ceràmic és un dels materials d'inductància habituals. S'utilitza principalment per proporcionar l'estructura de suport que s'utilitza en bobinar la bobina. També s'anomena "inductor de nucli d'aire". Com que el nucli de ferro utilitzat és un material no magnètic amb un coeficient de temperatura molt baix, el valor d'inductància és molt estable en el rang de temperatura de funcionament. Tanmateix, a causa del material no magnètic com a mitjà, la inductància és molt baixa, cosa que no és molt adequada per a l'aplicació de convertidors de potència.

2. Ferrita

El nucli de ferrita utilitzat en els inductors d'alta freqüència general és un compost de ferrita que conté níquel-zinc (NiZn) o manganès zinc (MnZn), que és un material ferromagnètic magnètic suau amb baixa coercivitat. La figura 1 mostra la corba d'histèresi (bucle BH) d'un nucli magnètic general. La força coercitiva HC d'un material magnètic també s'anomena força coercitiva, el que significa que quan el material magnètic s'ha magnetitzat fins a la saturació magnètica, la seva magnetització (magnetització) es redueix a zero La força del camp magnètic requerit en el moment. Una menor coercivitat significa una menor resistència a la desmagnetització i també una menor pèrdua d'histèresi.

Les ferrites de manganès-zinc i níquel-zinc tenen una permeabilitat relativa (μr) relativament alta, al voltant de 1500-15000 i 100-1000, respectivament. La seva alta permeabilitat magnètica fa que el nucli de ferro sigui més alt en un volum determinat. La inductància. Tanmateix, el desavantatge és que el seu corrent de saturació tolerable és baix i, un cop saturat el nucli de ferro, la permeabilitat magnètica baixarà bruscament. Consulteu la figura 4 per veure la tendència decreixent de la permeabilitat magnètica dels nuclis de ferrita i pols de ferro quan el nucli de ferro està saturat. Comparació. Quan s'utilitza en inductors de potència, es deixarà un buit d'aire al circuit magnètic principal, que pot reduir la permeabilitat, evitar la saturació i emmagatzemar més energia; quan s'inclou l'espai d'aire, la permeabilitat relativa equivalent pot ser d'uns 20- Entre 200. Atès que l'alta resistivitat del propi material pot reduir la pèrdua causada pels corrents de Foucault, la pèrdua és menor a altes freqüències i és més adequat per a transformadors d'alta freqüència, inductors de filtre EMI i inductors d'emmagatzematge d'energia dels convertidors de potència. Pel que fa a la freqüència de funcionament, la ferrita de níquel-zinc és adequada per al seu ús (> 1 MHz), mentre que la ferrita de manganès-zinc és adequada per a bandes de freqüència més baixa (<2 MHz).

1

Figura 1. La corba d'histèresi del nucli magnètic (BR: remanència; BSAT: densitat de flux magnètic de saturació)

3. Nucli de ferro en pols

Els nuclis de ferro en pols també són materials ferromagnètics magnètics suaus. Estan fets d'aliatges de pols de ferro de diferents materials o només pols de ferro. La fórmula conté materials no magnètics amb diferents mides de partícules, de manera que la corba de saturació és relativament suau. El nucli de ferro en pols és majoritàriament toroidal. La figura 2 mostra el nucli de ferro en pols i la seva vista en secció transversal.

Els nuclis de ferro en pols comuns inclouen l'aliatge de ferro-níquel-molibdè (MPP), sendust (Sendust), l'aliatge de ferro-níquel (alt flux) i el nucli de pols de ferro (pols de ferro). A causa dels diferents components, les seves característiques i preus també són diferents, cosa que afecta l'elecció dels inductors. A continuació s'introduiran els tipus bàsics esmentats anteriorment i es compararan les seves característiques:

A. Aliatge de ferro-níquel-molibdè (MPP)

L'aliatge Fe-Ni-Mo s'abreuja com MPP, que és l'abreviatura de pols de molypermalloy. La permeabilitat relativa és d'uns 14-500 i la densitat de flux magnètic de saturació és d'uns 7500 Gauss (Gauss), que és superior a la densitat de flux magnètic de saturació de ferrita (uns 4000-5000 Gauss). Molts fora. MPP té la menor pèrdua de ferro i té la millor estabilitat de temperatura entre els nuclis de ferro en pols. Quan el corrent DC extern arriba al corrent de saturació ISAT, el valor d'inductància disminueix lentament sense atenuació brusca. MPP té un millor rendiment però un cost més elevat, i normalment s'utilitza com a inductor de potència i filtrat EMI per als convertidors de potència.

B. Sendust

El nucli de ferro d'aliatge de ferro-silici-alumini és un nucli de ferro d'aliatge compost per ferro, silici i alumini, amb una permeabilitat magnètica relativa d'uns 26 a 125. La pèrdua de ferro es troba entre el nucli de pols de ferro i MPP i aliatge de ferro-níquel. . La densitat de flux magnètic de saturació és superior a MPP, uns 10500 Gauss. L'estabilitat de la temperatura i les característiques del corrent de saturació són lleugerament inferiors al MPP i l'aliatge de ferro-níquel, però millor que el nucli de pols de ferro i el nucli de ferrita, i el cost relatiu és més barat que el MPP i l'aliatge de ferro-níquel. S'utilitza principalment en filtres EMI, circuits de correcció del factor de potència (PFC) i inductors de potència de convertidors de potència de commutació.

C. Aliatge ferro-níquel (alt flux)

El nucli d'aliatge de ferro-níquel està fet de ferro i níquel. La permeabilitat magnètica relativa és d'uns 14-200. La pèrdua de ferro i l'estabilitat de la temperatura es troben entre MPP i aliatge ferro-silici-alumini. El nucli d'aliatge de ferro-níquel té la densitat de flux magnètic de saturació més alta, uns 15.000 Gauss, i pot suportar corrents de polarització de CC més alts, i les seves característiques de polarització de CC també són millors. Àmbit d'aplicació: correcció del factor de potència activa, inductància d'emmagatzematge d'energia, inductància del filtre, transformador d'alta freqüència del convertidor de retorn, etc.

D. Pols de ferro

El nucli de pols de ferro està fet de partícules de pols de ferro d'alta puresa amb partícules molt petites que estan aïllades les unes de les altres. El procés de fabricació fa que tingui un espai d'aire distribuït. A més de la forma d'anell, les formes comunes del nucli de pols de ferro també tenen tipus E i tipus d'estampació. La permeabilitat magnètica relativa del nucli de pols de ferro és d'uns 10 a 75, i la densitat de flux magnètic d'alta saturació és d'uns 15000 Gauss. Entre els nuclis de ferro en pols, el nucli de pols de ferro té la pèrdua de ferro més alta però el cost més baix.

La figura 3 mostra les corbes BH de ferrita de manganès-zinc PC47 fabricada per TDK i nuclis de ferro en pols -52 i -2 fabricats per MICROMETALS; la permeabilitat magnètica relativa de la ferrita de manganès-zinc és molt superior a la dels nuclis de ferro en pols i està saturat. La densitat de flux magnètic també és molt diferent, la ferrita és d'uns 5000 Gauss i el nucli de pols de ferro és de més de 10000 Gauss.

3

Figura 3. Corba BH de nuclis de ferrita manganès-zinc i pols de ferro de diferents materials

En resum, les característiques de saturació del nucli de ferro són diferents; un cop superat el corrent de saturació, la permeabilitat magnètica del nucli de ferrita caurà bruscament, mentre que el nucli de pols de ferro pot disminuir lentament. La figura 4 mostra les característiques de caiguda de permeabilitat magnètica d'un nucli de ferro en pols amb la mateixa permeabilitat magnètica i una ferrita amb un espai d'aire sota diferents intensitats de camp magnètic. Això també explica la inductància del nucli de ferrita, perquè la permeabilitat cau bruscament quan el nucli està saturat, com es pot veure a l'equació (1), també fa que la inductància caigui bruscament; mentre que el nucli de pols amb espai d'aire distribuït, la permeabilitat magnètica La velocitat disminueix lentament quan el nucli de ferro està saturat, de manera que la inductància disminueix més suaument, és a dir, té millors característiques de polarització de CC. En l'aplicació de convertidors de potència, aquesta característica és molt important; si la característica de saturació lenta de l'inductor no és bona, el corrent de l'inductor augmenta fins al corrent de saturació i la caiguda sobtada de la inductància farà que l'estrès actual del cristall de commutació augmenti bruscament, cosa que és fàcil de causar danys.

4

Figura 4. Característiques de la caiguda de permeabilitat magnètica del nucli de ferro en pols i el nucli de ferro de ferrita amb espai d'aire sota diferent intensitat de camp magnètic.

Característiques elèctriques de l'inductor i estructura del paquet

Quan es dissenya un convertidor de commutació i es selecciona un inductor, el valor d'inductància L, la impedància Z, la resistència de CA ACR i el valor Q (factor de qualitat), el corrent nominal IDC i ISAT i la pèrdua del nucli (pèrdua del nucli) i altres característiques elèctriques importants són imprescindibles. ser considerat. A més, l'estructura d'embalatge de l'inductor afectarà la magnitud de la fuita magnètica, que al seu torn afecta l'EMI. A continuació es discutiran les característiques esmentades anteriorment per separat com a consideracions per seleccionar inductors.

1. Valor de la inductància (L)

El valor d'inductància d'un inductor és el paràmetre bàsic més important en el disseny del circuit, però s'ha de comprovar si el valor d'inductància és estable a la freqüència de funcionament. El valor nominal de la inductància es mesura normalment a 100 kHz o 1 MHz sense polarització de CC externa. I per garantir la possibilitat de producció automatitzada en massa, la tolerància de l'inductor sol ser de ± 20% (M) i ± 30% (N). La figura 5 és el gràfic característic de la inductància-freqüència de l'inductor Taiyo Yuden NR4018T220M mesurat amb el mesurador LCR de Wayne Kerr. Com es mostra a la figura, la corba del valor d'inductància és relativament plana abans dels 5 MHz, i el valor d'inductància gairebé es pot considerar una constant. A la banda d'alta freqüència a causa de la ressonància generada per la capacitat i la inductància paràsites, el valor de la inductància augmentarà. Aquesta freqüència de ressonància s'anomena freqüència d'autoressonància (SRF), que normalment ha de ser molt superior a la freqüència de funcionament.

5

Figura 5, diagrama de mesura de la característica d'inductància-freqüència de Taiyo Yuden NR4018T220M

2. Impedància (Z)

Com es mostra a la figura 6, el diagrama d'impedància també es pot veure a partir del rendiment de la inductància a diferents freqüències. La impedància de l'inductor és aproximadament proporcional a la freqüència (Z=2πfL), de manera que com més gran sigui la freqüència, la reactància serà molt més gran que la resistència de CA, de manera que la impedància es comporta com una inductància pura (la fase és de 90˚). A freqüències altes, a causa de l'efecte de capacitat paràsit, es pot veure el punt de freqüència d'autoressonància de la impedància. Després d'aquest punt, la impedància baixa i es torna capacitiva, i la fase canvia gradualment a -90 ˚.

6

3. Valor Q i resistència AC (ACR)

El valor Q en la definició d'inductància és la relació entre la reactància i la resistència, és a dir, la relació entre la part imaginària i la part real de la impedància, com a la fórmula (2).

(2)

On XL és la reactància de l'inductor i RL és la resistència de CA de l'inductor.

En el rang de baixa freqüència, la resistència de CA és més gran que la reactància causada per la inductància, de manera que el seu valor Q és molt baix; a mesura que augmenta la freqüència, la reactància (al voltant de 2πfL) es fa més gran i més gran, fins i tot si la resistència deguda a l'efecte de la pell (efecte pell) i l'efecte de proximitat (proximitat)) L'efecte es fa cada cop més gran i el valor Q encara augmenta amb la freqüència. ; quan s'acosta a SRF, la reactància inductiva es compensa gradualment per la reactància capacitiva i el valor Q es redueix gradualment; quan l'SRF es converteix en zero, perquè la reactància inductiva i la reactància capacitiva són completament iguals Desapareix. La figura 7 mostra la relació entre el valor Q i la freqüència de NR4018T220M, i la relació té la forma d'una campana invertida.

7

Figura 7. La relació entre el valor Q i la freqüència de l'inductor Taiyo Yuden NR4018T220M

A la banda de freqüència d'aplicació d'inductància, com més alt sigui el valor Q, millor; vol dir que la seva reactància és molt més gran que la resistència de CA. En termes generals, el millor valor Q està per sobre de 40, el que significa que la qualitat de l'inductor és bona. Tanmateix, generalment a mesura que augmenta el biaix de CC, el valor de la inductància disminuirà i el valor Q també disminuirà. Si s'utilitza filferro esmaltat pla o filferro esmaltat de múltiples fils, es pot reduir l'efecte pell, és a dir, la resistència de CA, i també es pot augmentar el valor Q de l'inductor.

La resistència DC DCR es considera generalment com la resistència DC del cable de coure, i la resistència es pot calcular segons el diàmetre i la longitud del cable. Tanmateix, la majoria dels inductors SMD de baix corrent utilitzaran soldadura per ultrasons per fer la làmina de coure de l'SMD al terminal de bobinat. Tanmateix, com que el cable de coure no és llarg i el valor de la resistència no és elevat, la resistència a la soldadura sovint representa una proporció considerable de la resistència total de CC. Prenent com a exemple l'inductor SMD enrotllat de filferro de TDK CLF6045NIT-1R5N, la resistència de corrent continu mesurada és de 14,6 mΩ i la resistència de corrent continu calculada en funció del diàmetre i la longitud del cable és de 12,1 mΩ. Els resultats mostren que aquesta resistència de soldadura representa al voltant del 17% de la resistència total de CC.

La resistència a l'AC ACR té efecte de pell i efecte de proximitat, que farà que l'ACR augmenti amb la freqüència; en l'aplicació de la inductància general, com que el component AC és molt inferior al component DC, la influència causada per ACR no és òbvia; però amb càrrega lleugera, com que el component DC es redueix, no es pot ignorar la pèrdua causada per ACR. L'efecte pell significa que en condicions de corrent altern, la distribució de corrent a l'interior del conductor és desigual i es concentra a la superfície del cable, donant lloc a una reducció de l'àrea de secció transversal del cable equivalent, que al seu torn augmenta la resistència equivalent del cable amb freqüència. A més, en un bobinat de cable, els cables adjacents provocaran l'addició i la resta de camps magnètics a causa del corrent, de manera que el corrent es concentra a la superfície adjacent al cable (o a la superfície més llunyana, depenent de la direcció del corrent). ), que també provoca una intercepció de cable equivalent. El fenomen que l'àrea disminueix i la resistència equivalent augmenta és l'anomenat efecte de proximitat; en l'aplicació d'inductància d'un bobinat multicapa, l'efecte de proximitat és encara més evident.

8

La figura 8 mostra la relació entre la resistència de CA i la freqüència de l'inductor SMD enrotllat NR4018T220M. A una freqüència d'1 kHz, la resistència és d'uns 360 mΩ; a 100 kHz, la resistència puja a 775 mΩ; a 10MHz, el valor de la resistència és proper a 160Ω. A l'hora d'estimar la pèrdua de coure, el càlcul ha de tenir en compte l'ACR causat pels efectes de pell i proximitat, i modificar-lo a la fórmula (3).

4. Corrent de saturació (ISAT)

El corrent de saturació ISAT és generalment el corrent de polarització marcat quan el valor d'inductància s'atenua, com ara el 10%, el 30% o el 40%. Per a la ferrita d'entrefer, com que la seva característica de corrent de saturació és molt ràpida, no hi ha molta diferència entre el 10% i el 40%. Consulteu la figura 4. Tanmateix, si es tracta d'un nucli de pols de ferro (com un inductor estampat), la corba de saturació és relativament suau, com es mostra a la figura 9, el corrent de polarització al 10% o al 40% de l'atenuació de la inductància és molt diferents, de manera que el valor del corrent de saturació es comentarà per separat per als dos tipus de nuclis de ferro de la següent manera.

Per a una ferrita amb buit d'aire, és raonable utilitzar ISAT com a límit superior del corrent màxim de l'inductor per a aplicacions de circuits. Tanmateix, si es tracta d'un nucli de pols de ferro, a causa de la característica de saturació lenta, no hi haurà cap problema encara que el corrent màxim del circuit d'aplicació superi ISAT. Per tant, aquesta característica del nucli de ferro és la més adequada per a aplicacions de commutació de convertidors. Sota càrrega pesada, tot i que el valor d'inductància de l'inductor és baix, tal com es mostra a la figura 9, el factor d'ondulació actual és alt, però la tolerància actual del condensador és alta, de manera que no serà un problema. Sota càrrega lleugera, el valor d'inductància de l'inductor és més gran, la qual cosa ajuda a reduir el corrent d'ondulació de l'inductor, reduint així la pèrdua de ferro. La figura 9 compara la corba de corrent de saturació de la ferrita SLF7055T1R5N de TDK i l'inductor de nucli de pols de ferro estampat SPM6530T1R5M amb el mateix valor nominal d'inductància.

9

Figura 9. Corba de corrent de saturació del nucli de ferrita enrotllada i pols de ferro estampat sota el mateix valor nominal d'inductància

5. Corrent nominal (IDC)

El valor IDC és el biaix de CC quan la temperatura de l'inductor augmenta a Tr˚C. Les especificacions també indiquen el seu valor de resistència DC RDC a 20˚C. Segons el coeficient de temperatura del cable de coure és d'uns 3.930 ppm, quan la temperatura de Tr augmenta, el seu valor de resistència és RDC_Tr = RDC (1+0,00393Tr) i el seu consum d'energia és PCU = I2DCxRDC. Aquesta pèrdua de coure es dissipa a la superfície de l'inductor i es pot calcular la resistència tèrmica ΘTH de l'inductor:

(2)

La taula 2 fa referència al full de dades de la sèrie TDK VLS6045EX (6,0 × 6,0 × 4,5 mm) i calcula la resistència tèrmica a un augment de temperatura de 40 °C. Òbviament, per a inductors de la mateixa sèrie i mida, la resistència tèrmica calculada és gairebé la mateixa a causa de la mateixa àrea de dissipació de calor superficial; és a dir, es pot estimar l'IDC de corrent nominal de diferents inductors. Diferents sèries (paquets) d'inductors tenen diferents resistències tèrmiques. La Taula 3 compara la resistència tèrmica dels inductors de la sèrie TDK VLS6045EX (semiblintat) i de la sèrie SPM6530 (emmotllat). Com més gran sigui la resistència tèrmica, més gran serà l'augment de temperatura generat quan la inductància flueix a través del corrent de càrrega; en cas contrari, el més baix.

(2)

Taula 2. Resistència tèrmica dels inductors de la sèrie VLS6045EX a un augment de temperatura de 40˚C

A la taula 3 es pot veure que, fins i tot si la mida dels inductors és similar, la resistència tèrmica dels inductors estampats és baixa, és a dir, la dissipació de calor és millor.

(3)

Taula 3. Comparació de la resistència tèrmica de diferents inductors de paquet.

6. Pèrdua de nucli

La pèrdua del nucli, coneguda com a pèrdua de ferro, és causada principalment per la pèrdua de corrents de Foucault i la pèrdua d'histèresi. La mida de la pèrdua de corrent de Foucault depèn principalment de si el material del nucli és fàcil de "conduir"; si la conductivitat és alta, és a dir, la resistivitat és baixa, la pèrdua de corrent de Foucault és alta i si la resistivitat de la ferrita és alta, la pèrdua de corrent de Foucault és relativament baixa. La pèrdua de corrents de Foucault també està relacionada amb la freqüència. Com més gran sigui la freqüència, més gran serà la pèrdua de corrents de Foucault. Per tant, el material del nucli determinarà la freqüència de funcionament adequada del nucli. En termes generals, la freqüència de treball del nucli de pols de ferro pot arribar a 1MHz i la freqüència de treball de ferrita pot arribar als 10MHz. Si la freqüència de funcionament supera aquesta freqüència, la pèrdua de corrent de Foucault augmentarà ràpidament i també augmentarà la temperatura del nucli de ferro. Tanmateix, amb el ràpid desenvolupament dels materials de nucli de ferro, els nuclis de ferro amb freqüències de funcionament més altes haurien d'estar a la volta de la cantonada.

Una altra pèrdua de ferro és la pèrdua d'histèresi, que és proporcional a l'àrea tancada per la corba d'histèresi, que està relacionada amb l'amplitud de swing del component AC del corrent; com més gran sigui el swing de CA, més gran serà la pèrdua d'histèresi.

En el circuit equivalent d'un inductor, sovint s'utilitza una resistència connectada en paral·lel amb l'inductor per expressar la pèrdua de ferro. Quan la freqüència és igual a SRF, la reactància inductiva i la reactància capacitiva es cancel·len i la reactància equivalent és zero. En aquest moment, la impedància de l'inductor és equivalent a la resistència a la pèrdua de ferro en sèrie amb la resistència de l'enrotllament, i la resistència a la pèrdua de ferro és molt més gran que la resistència a la bobina, de manera que la impedància a SRF és aproximadament igual a la resistència a la pèrdua de ferro. Prenent com a exemple un inductor de baixa tensió, la seva resistència a la pèrdua de ferro és d'uns 20 kΩ. Si s'estima que la tensió del valor efectiu als dos extrems de l'inductor és de 5 V, la seva pèrdua de ferro és d'uns 1,25 mW, cosa que també demostra que com més gran sigui la resistència a la pèrdua de ferro, millor.

7. Estructura de l'escut

L'estructura d'embalatge dels inductors de ferrita inclou no apantallades, semi-apantallades amb cola magnètica i blindades, i hi ha un buit d'aire considerable en qualsevol d'ells. Òbviament, l'espai d'aire tindrà fuites magnètiques i, en el pitjor dels casos, interferirà amb els circuits de senyal petits circumdants, o si hi ha un material magnètic a prop, també es canviarà la seva inductància. Una altra estructura d'embalatge és un inductor de pols de ferro estampat. Com que no hi ha buit dins de l'inductor i l'estructura del bobinat és sòlida, el problema de la dissipació del camp magnètic és relativament petit. La figura 10 és l'ús de la funció FFT de l'oscil·loscopi RTO 1004 per mesurar la magnitud del camp magnètic de fuga a 3 mm per sobre i al costat de l'inductor estampat. La taula 4 enumera la comparació del camp magnètic de fuga de diferents inductors d'estructura de paquet. Es pot veure que els inductors no apantallats tenen la fuita magnètica més greu; els inductors estampats tenen la fuga magnètica més petita, mostrant el millor efecte de blindatge magnètic. . La diferència en la magnitud del camp magnètic de fuga dels inductors d'aquestes dues estructures és d'uns 14 dB, que és gairebé 5 vegades.

10

Figura 10. La magnitud del camp magnètic de fuga mesurada a 3 mm per sobre i al costat de l'inductor estampat

(4)

Taula 4. Comparació del camp magnètic de fuga de diferents inductors d'estructura de paquet

8. acoblament

En algunes aplicacions, de vegades hi ha diversos conjunts de convertidors de corrent continu a la PCB, que solen estar disposats l'un al costat de l'altre, i els seus inductors corresponents també estan disposats l'un al costat de l'altre. Si utilitzeu un tipus no apantallat o semi-apantallat amb cola magnètica, els inductors es poden acoblar entre si per formar interferències EMI. Per tant, en col·locar l'inductor, es recomana marcar primer la polaritat de l'inductor i connectar el punt inicial i de bobinat de la capa més interna de l'inductor a la tensió de commutació del convertidor, com ara el VSW d'un convertidor buck, que és el punt de moviment. El terminal de sortida està connectat al condensador de sortida, que és el punt estàtic; el bobinat de fil de coure, per tant, forma un cert grau de blindatge de camp elèctric. En la disposició del cablejat del multiplexor, la fixació de la polaritat de la inductància ajuda a fixar la magnitud de la inductància mútua i evitar alguns problemes EMI inesperats.

Aplicacions:

El capítol anterior va discutir el material bàsic, l'estructura del paquet i les característiques elèctriques importants de l'inductor. En aquest capítol s'explicarà com triar el valor d'inductància adequat del convertidor buck i les consideracions per triar un inductor disponible comercialment.

Com es mostra a l'equació (5), el valor de l'inductor i la freqüència de commutació del convertidor afectaran el corrent d'ondulació de l'inductor (ΔiL). El corrent d'ondulació de l'inductor fluirà a través del condensador de sortida i afectarà el corrent d'ondulació del condensador de sortida. Per tant, afectarà la selecció del condensador de sortida i afectarà encara més la mida de la ondulació de la tensió de sortida. A més, el valor de la inductància i el valor de la capacitat de sortida també afectaran el disseny de retroalimentació del sistema i la resposta dinàmica de la càrrega. L'elecció d'un valor d'inductància més gran té menys tensió de corrent al condensador i també és beneficiós per reduir la ondulació de la tensió de sortida i pot emmagatzemar més energia. Tanmateix, un valor d'inductància més gran indica un volum més gran, és a dir, un cost més elevat. Per tant, quan es dissenya el convertidor, el disseny del valor de la inductància és molt important.

(5)

Es pot veure a partir de la fórmula (5) que quan la bretxa entre la tensió d'entrada i la tensió de sortida és més gran, el corrent d'ondulació de l'inductor serà més gran, que és la pitjor condició del disseny de l'inductor. Juntament amb altres anàlisis inductius, el punt de disseny d'inductància del convertidor reductor normalment s'ha de seleccionar en condicions de tensió d'entrada màxima i càrrega completa.

Quan es dissenya el valor de la inductància, cal fer una compensació entre el corrent d'ondulació de l'inductor i la mida de l'inductor, i aquí es defineix el factor de corrent ondulat (factor de corrent ondulat; γ), com a la fórmula (6).

(6)

Substituint la fórmula (6) per la fórmula (5), el valor de la inductància es pot expressar com la fórmula (7).

(7)

Segons la fórmula (7), quan la diferència entre la tensió d'entrada i sortida és més gran, el valor γ es pot seleccionar més gran; per contra, si la tensió d'entrada i sortida estan més properes, el disseny del valor γ ha de ser més petit. Per triar entre el corrent de ondulació de l'inductor i la mida, segons el valor de l'experiència de disseny tradicional, γ sol ser de 0,2 a 0,5. A continuació es pren RT7276 com a exemple per il·lustrar el càlcul de la inductància i la selecció d'inductors disponibles comercialment.

Exemple de disseny: dissenyat amb un convertidor reductor de rectificació síncrona RT7276 avançat a temps constant (Advanced Constant On-Time; ACOTTM), la seva freqüència de commutació és de 700 kHz, la tensió d'entrada és de 4,5 V a 18 V i la tensió de sortida és d'1,05 V . El corrent de càrrega completa és de 3A. Com s'ha esmentat anteriorment, el valor de la inductància s'ha de dissenyar sota les condicions de la tensió d'entrada màxima de 18 V i la càrrega completa de 3 A, el valor de γ es pren com a 0,35 i el valor anterior es substitueix a l'equació (7), la inductància el valor és

Utilitzeu un inductor amb un valor d'inductància nominal convencional d'1,5 µH. Substituïu la fórmula (5) per calcular el corrent ondulat de l'inductor de la següent manera.

Per tant, el corrent màxim de l'inductor és

I el valor efectiu del corrent de l'inductor (IRMS) és

Com que el component de ondulació de l'inductor és petit, el valor efectiu del corrent de l'inductor és principalment el seu component de CC, i aquest valor efectiu s'utilitza com a base per seleccionar el corrent nominal de l'inductor IDC. Amb un disseny de reducció del 80%, els requisits d'inductància són:

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

La taula 5 enumera els inductors disponibles de diferents sèries de TDK, de mida similar però d'estructura de paquet diferent. A la taula es pot veure que el corrent de saturació i el corrent nominal de l'inductor estampat (SPM6530T-1R5M) són grans i la resistència tèrmica és petita i la dissipació de calor és bona. A més, segons la discussió del capítol anterior, el material del nucli de l'inductor estampat és el nucli de pols de ferro, de manera que es compara amb el nucli de ferrita dels inductors semiblintats (VLS6045EX-1R5N) i blindats (SLF7055T-1R5N). amb cola magnètica. , Té bones característiques de polarització de CC. La figura 11 mostra la comparació d'eficiència de diferents inductors aplicats al convertidor reductor de rectificació síncrona avançada constant en temps RT7276. Els resultats mostren que la diferència d'eficiència entre els tres no és significativa. Si teniu en compte la dissipació de calor, les característiques de polarització de CC i els problemes de dissipació del camp magnètic, es recomana utilitzar inductors SPM6530T-1R5M.

（5）

Taula 5. Comparació d'inductàncies de diferents sèries de TDK

11

Figura 11. Comparació de l'eficiència del convertidor amb diferents inductors

Si trieu la mateixa estructura de paquet i valor d'inductància, però inductors de mida més petita, com SPM4015T-1R5M (4,4 × 4,1 × 1,5 mm), encara que la seva mida és petita, però la resistència DC RDC (44,5 mΩ) i la resistència tèrmica ΘTH ( 51˚C) /W) Més gran. Per als convertidors de les mateixes especificacions, el valor efectiu del corrent tolerat per l'inductor també és el mateix. Òbviament, la resistència de CC reduirà l'eficiència sota càrrega pesada. A més, una gran resistència tèrmica significa una mala dissipació de la calor. Per tant, a l'hora d'escollir un inductor, no només cal tenir en compte els avantatges de la mida reduïda, sinó també avaluar les deficiències que l'acompanyen.

En conclusió

La inductància és un dels components passius d'ús habitual en els convertidors de potència de commutació, que es pot utilitzar per a l'emmagatzematge i el filtratge d'energia. Tanmateix, en el disseny del circuit, no només cal prestar atenció al valor de la inductància, sinó que altres paràmetres, com ara la resistència de CA i el valor Q, la tolerància actual, la saturació del nucli de ferro i l'estructura del paquet, etc., són paràmetres que han de ser. cal tenir en compte a l'hora d'escollir un inductor. . Aquests paràmetres solen estar relacionats amb el material bàsic, el procés de fabricació i la mida i el cost. Per tant, aquest article presenta les característiques dels diferents materials de nucli de ferro i com triar una inductància adequada com a referència per al disseny de la font d'alimentació.