124

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 (de baixa freqüència a alta freqüència), o diferents materials bàsics que afecten les característiques de l’inductor, etc. Els inductors que s’utilitzen en els convertidors de commutació són components magnètics d’alta freqüència. No obstant això, a causa de diversos factors com ara els materials, les condicions de funcionament (com ara el voltatge i el corrent) i la temperatura ambient, les característiques i les teories presentades són força diferents. Per tant, en el disseny del circuit, a més del paràmetre bàsic del valor d’inductància, s’ha de tenir en compte la relació entre la impedància de l’inductor i la resistència i freqüència de corrent altern, la pèrdua del nucli i les característiques del corrent de saturació, etc. Aquest article introduirà diversos materials bàsics d’inductors importants i les seves característiques, i també guiarà als enginyers de potència per triar els inductors estàndard disponibles al mercat.

Prefaci

L’inductor és un component d’inducció electromagnètica que es forma bobinant un determinat nombre de bobines (bobines) sobre una bobina o nucli amb un fil 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 a través d’un corrent altern, es generarà una tensió induïda per resistir el canvi del camp magnètic original, i aquesta característica de frenar el canvi actual s’anomena inductància.

La fórmula del valor d’inductància és la fórmula (1), que és proporcional a la permeabilitat magnètica, el quadrat del bobinatge gira N i l’àrea de la 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 bobinatge, el nombre de voltes i el tipus de material magnètic intermedi.

图片1

(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 nuclis ceràmics i dos tipus magnètics tous. Són ferrites i pols metàl·lica. Depenent de l'estructura o mètode d'embalatge, hi ha bobines de filferro, multicapa i modelades, i la bobina de filferro té una capa no protegida i la meitat de cola magnètica Apantallada (semiapantallada) i apantallada (apantallada), 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’asfíxia, el filtratge, la sintonització 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 l’ondulació de la tensió de sortida, de manera que també té un paper important en la funció de filtratge.

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

Tipus de material bàsic

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

1. Nucli ceràmic

El nucli ceràmic és un dels materials més habituals d’inductància. S’utilitza principalment per proporcionar l’estructura de suport que s’utilitza quan s’enrotlla la bobina. També s’anomena “inductor del 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. No obstant això, 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 inductors d'alta freqüència en general és un compost de ferrita que conté níquel-zinc (NiZn) o zinc de manganès (MnZn), que és un material ferromagnètic magnètic tou amb baixa coercitivitat. 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 a saturació magnètica, la seva magnetització (magnetització) es redueix a zero La força del camp magnètic requerida en aquell moment. Una coercitivitat més baixa 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 relativament alta (μr), aproximadament de 1500 a 15.000 i de 100 a 1.000, respectivament. La seva elevada permeabilitat magnètica fa que el nucli de ferro sigui més elevat en un volum determinat. La inductància. No obstant això, l’inconvenient és que el seu corrent de saturació tolerable és baix i, una vegada que el nucli de ferro estigui saturat, la permeabilitat magnètica caurà bruscament. Consulteu la figura 4 per conèixer la tendència decreixent de la permeabilitat magnètica dels nuclis de ferro de ferrita i de pols 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, cosa que pot reduir la permeabilitat, evitar la saturació i emmagatzemar més energia; quan s'inclou el buit d'aire, la permeabilitat relativa equivalent pot ser d'aproximadament 20- Entre 200. Atès que l'alta resistivitat del material pot reduir la pèrdua causada pel corrent de Foucault, la pèrdua és menor a altes freqüències i és més adequat per a transformadors d'alta freqüència, inductors de filtres EMI i inductors d'emmagatzematge d'energia dels convertidors de potència. Pel que fa a la freqüència de funcionament, la ferrita níquel-zinc és adequada per a l’ús (> 1 MHz), mentre que la ferrita manganès-zinc és adequada per a bandes de freqüència més baixes (<2 MHz).

图片2         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 tous. Estan fabricats en aliatges de ferro en pols de diferents materials o només en 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 habituals inclouen l’aliatge de ferro-níquel-molibdè (MPP), sendust (Sendust), l’aliatge de ferro-níquel (alt flux) i el nucli de ferro en pols (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 es presentaran els tipus bàsics esmentats i es compararan les seves característiques:

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

L’aliatge Fe-Ni-Mo s’abrevia com MPP, que és l’abreviatura de pols de molypermalloy. La permeabilitat relativa és d'aproximadament 14-500, i la densitat de flux magnètic de saturació és d'aproximadament 7500 Gauss (Gauss), que és superior a la densitat de flux magnètic de saturació de la ferrita (aproximadament 4000-5000 Gauss). Molts fora. El MPP té la menor pèrdua de ferro i té la millor estabilitat de temperatura entre els nuclis de ferro en pols. Quan el corrent continu extern arriba al corrent de saturació ISAT, el valor d’inductància disminueix lentament sense atenuació brusca. El MPP té un millor rendiment però un cost més elevat i s’utilitza generalment com a inductor de potència i filtratge 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 de ferro, silici i alumini, amb una permeabilitat magnètica relativa d'aproximadament 26 a 125. La pèrdua de ferro es troba entre el nucli de ferro en pols i MPP i l'aliatge de ferro-níquel . La densitat de flux magnètic de saturació és superior a MPP, aproximadament 10500 Gauss. Les característiques del corrent d’estabilitat i saturació de la temperatura són lleugerament inferiors a l’aliatge de ferro-níquel i MPP, però millor que el nucli de ferro en pols i el nucli de ferrita, i el cost relatiu és més barat que l’aliatge de ferro-níquel i MPP. S'utilitza principalment en circuits de filtratge EMI, correcció del factor de potència (PFC) i inductors de potència dels convertidors de potència de commutació.

 

C. Aliatge ferro-níquel (alt flux)

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

 

D. Pols de ferro

El nucli de pols de ferro està format per partícules de pols de ferro d’alta puresa amb partícules molt petites que s’aïllen entre si. El procés de fabricació fa que tingui un buit d’aire distribuït. A més de la forma de l'anell, les formes habituals de 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’entre 10 i 75 i la densitat de flux magnètic d’alta saturació és d’uns 15.000 Gauss. Entre els nuclis de ferro en pols, el nucli de ferro en pols té la pèrdua de ferro més alta, però el cost més baix.

La figura 3 mostra les corbes BH de ferrita manganès-zinc PC47 fabricades 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 saturada. La densitat del flux magnètic també és molt diferent, la ferrita és d’uns 5.000 Gauss i el nucli de ferro en pols supera els 10000 Gauss.

图片3   3

Figura 3. Corba BH de ferrita de manganès-zinc i nuclis de 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 la permeabilitat magnètica d’un nucli de ferro en pols amb la mateixa permeabilitat magnètica i d’una ferrita amb un buit d’aire sota diferents intensitats de camp magnètic. Això també explica la inductància del nucli de ferrita, ja que la permeabilitat cau bruscament quan el nucli està saturat, com es pot veure a l’equació (1), també fa que la inductància baixi bruscament; mentre que el nucli de pols amb espai d’aire distribuït, la permeabilitat magnètica La taxa disminueix lentament quan el nucli de ferro està saturat, de manera que la inductància disminueix més suaument, és a dir, té millors característiques de biaix de CC. En l'aplicació dels convertidors de potència, aquesta característica és molt important; si la característica de saturació lenta de l’inductor no és bona, el corrent d’inductor s’eleva fins al corrent de saturació i la caiguda sobtada de la inductància farà que la tensió actual del cristall de commutació augmenti bruscament, cosa que és fàcil de causar danys.

图片3    4

Figura 4. Característiques de la caiguda de la permeabilitat magnètica del nucli de ferro en pols i del nucli de ferro de ferrita amb bretxa d’aire sota intensitat de camp magnètica diferent.

 

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, el valor ACR i Q de la resistència AC (factor de qualitat), el corrent nominal IDC i ISAT i la pèrdua de nucli (pèrdua de nucli) i altres característiques elèctriques importants són obligatoris 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 debatran les característiques esmentades per separat com a consideracions per seleccionar els inductors.

1. Valor d’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 un biaix de CC extern. I per garantir la possibilitat de producció massiva automatitzada, la tolerància de l’inductor sol ser del ± 20% (M) i del ± 30% (N). La figura 5 és el gràfic característic d’inductància-freqüència de l’inductor NR4018T220M de Taiyo Yuden mesurat amb el mesurador LCR de Wayne Kerr. Com es mostra a la figura, la corba del valor d’inductància és relativament plana abans de 5 MHz i el valor d’inductància es pot considerar gairebé com una constant. A la banda d’alta freqüència a causa de la ressonància generada per la capacitat i la inductància paràsites, el valor d’inductància augmentarà. Aquesta freqüència de ressonància s’anomena freqüència d’auto-ressonància (SRF), que normalment ha de ser molt superior a la freqüència de funcionament.

图片5  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 alta sigui la freqüència, la reactància serà molt més gran que la resistència de corrent altern, de manera que la impedància es comporta com una inductància pura (la fase és 90˚). A altes freqüències, a causa de l’efecte de capacitat paràsita, es pot veure el punt de freqüència d’auto-ressonància de la impedància. Passat aquest punt, la impedància baixa i esdevé capacitiva, i la fase canvia gradualment a -90 ˚.

图片6  6

3. Valor Q i resistència de corrent altern (ACR)

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

图片7

(2)

On XL és la reactància de l’inductor i RL és la resistència de corrent altern de l’inductor.

En el rang de freqüència baixa, la resistència de corrent altern 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 (aproximadament 2πfL) es fa cada vegada més gran, fins i tot si la resistència a causa de l’efecte de la pell (efecte de la pell) i de proximitat (efecte de proximitat). ; en apropar-se a SRF, la reactància inductiva es compensa gradualment amb la reactància capacitiva i el valor Q es fa gradualment més petit; quan el SRF esdevé nul, perquè la reactància inductiva i la reactància capacitiva són completament iguals Desapareixen. 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.

图片8  7

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

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

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

Resistència de corrent altern ACR té un efecte pell i efecte de proximitat, cosa que farà que l'ACR augmenti amb la freqüència; en l'aplicació de la inductància general, ja que el component de corrent altern és molt inferior al component de corrent continu, la influència causada per l'ACR no és evident; però a poca càrrega, atès que es redueix el component de corrent continu, la pèrdua causada per ACR no es pot ignorar. L’efecte pell fa que, en condicions de corrent altern, la distribució de corrent a l’interior del conductor sigui irregular i es concentri a la superfície del fil, cosa que provoca una reducció de l’àrea de la secció transversal del fil, que al seu torn augmenta la resistència equivalent del fil amb freqüència. A més, en un bobinatge de filferro, els cables adjacents causaran la suma i la resta de camps magnètics a causa del corrent, de manera que el corrent es concentrarà a la superfície adjacent al filferro (o la superfície més allunyada, en funció de la direcció del corrent) ), que també provoca una intercepció de filferro equivalent. El fenomen que la zona disminueix i augmenta la resistència equivalent és l’anomenat efecte de proximitat; en l’aplicació d’inductància d’un bobinat multicapa, l’efecte de proximitat és encara més evident.

图片9  8

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

4. Corrent de saturació (ISAT)

El corrent de saturació ISAT és generalment el corrent de biaix marcat quan el valor d’inductància s’atenuï, com ara el 10%, el 30% o el 40%. Per a la ferrita entre espais d’aire, perquè 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, tal com es mostra a la figura 9, el corrent de biaix al 10% o 40% de l’atenuació de la inductància és molt gran. diferents, de manera que el valor actual de saturació es discutirà per separat per als dos tipus de nuclis de ferro de la següent manera.

Per a una ferrita entre espais d’aire, és raonable utilitzar ISAT com a límit superior del corrent màxim d’inductor per a aplicacions de circuits. Tot i això, si es tracta d’un nucli de pols de ferro, a causa de la característica de saturació lenta, no hi haurà cap problema fins i tot si el corrent màxim del circuit d’aplicació supera ISAT. Per tant, aquesta característica del nucli de ferro és la més adequada per canviar aplicacions de convertidors. Sota càrrega intensa, 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 elevat, però la tolerància actual del condensador actual és elevada, de manera que no serà un problema. Sota una càrrega lleugera, el valor d’inductància de l’inductor és més gran, cosa que 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 enrotllada de TDK SLF7055T1R5N i l’inductor de nucli de pols de ferro estampat SPM6530T1R5M amb el mateix valor nominal d’inductància.

图片9   9

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

5. Corrent nominal (IDC)

El valor IDC és el biaix de CC quan la temperatura de l’inductor s’eleva a Tr˚C. Les especificacions també indiquen el seu valor de resistència de corrent continu RDC a 20˚C. Segons el coeficient de temperatura del fil 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:

图片13(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. Viouslybviament, per als 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; en altres paraules, es pot estimar el valor IDC actual de diferents inductors. Les diferents sèries (paquets) d’inductors tenen diferents resistències tèrmiques. La taula 3 compara la resistència tèrmica dels inductors de la sèrie TDK VLS6045EX (semi-blindada) i la sèrie SPM6530 (modelada). Com més gran sigui la resistència tèrmica, més elevada serà la temperatura generada quan la inductància flueix a través del corrent de càrrega; en cas contrari, la inferior.

图片14  (2)

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

Es pot observar a la taula 3 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.

图片15  (3)

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

 

6. Pèrdua del nucli

La pèrdua de nucli, coneguda com a pèrdua de ferro, es deu principalment a la pèrdua de corrent de Foucault i a la pèrdua d’histèresi. La mida de la pèrdua de corrent de Foucault depèn principalment de si el material bàsic és fàcil de "dur a terme"; 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 corrent de Foucault també està relacionada amb la freqüència. Com més alta sigui la freqüència, major serà la pèrdua de corrent 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 1 MHz i la freqüència de treball de la ferrita pot arribar als 10 MHz. Si la freqüència de funcionament supera aquesta freqüència, la pèrdua de corrent de Foucault augmentarà ràpidament i la temperatura del nucli del ferro també augmentarà. No obstant això, amb el ràpid desenvolupament de 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 d’oscil·lació del component de corrent altern; com més gran sigui el swing de CA, major 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 al bobinatge, i la resistència a la pèrdua de ferro és molt més gran que la resistència al bobinatge, 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 20kΩ. Si s’estima que el voltatge efectiu als dos extrems de l’inductor és de 5V, 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 serà.

7. Estructura de l’escut

L’estructura d’embalatge dels inductors de ferrita inclou no blindats, semi-blindats amb cola magnètica i blindats, i hi ha un buit d’aire considerable en qualsevol d’ells. Viouslybviament, el buit d’aire tindrà fuites magnètiques i, en el pitjor dels casos, interferirà amb els petits circuits de senyal 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 cap espai interior a l’inductor i l’estructura de bobinatge 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 fuites a 3 mm per sobre i al lateral de l’inductor estampat. La taula 4 llista la comparació del camp magnètic de fuites de diferents inductors d’estructures de paquets. Es pot veure que els inductors no blindats presenten les fuites magnètiques més greus; Els inductors estampats tenen la menor fuita magnètica, mostrant el millor efecte de protecció magnètica. . La diferència en la magnitud del camp magnètic de fuita dels inductors d’aquestes dues estructures és d’uns 14dB, que és gairebé 5 vegades.

10图片16

Figura 10. La magnitud del camp magnètic de fuita mesurat a 3 mm per sobre i al lateral de l’inductor estampat

图片17 (4)

Taula 4. Comparació del camp magnètic de fuites de diferents inductors d’estructures de paquets

8. acoblament

En algunes aplicacions, de vegades hi ha diversos conjunts de convertidors de corrent continu a la PCB, que solen disposar-se 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 blindat o semi-blindat amb cola magnètica, els inductors poden combinar-se entre ells per formar interferències EMI. Per tant, quan es col·loca l’inductor, es recomana marcar primer la polaritat de l’inductor i connectar el punt d’inici i de bobinatge 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 en moviment. El terminal de sortida està connectat al condensador de sortida, que és el punt estàtic; el bobinat de fil de coure forma, per tant, un cert grau de protecció del camp elèctric. En la disposició del cablejat del multiplexor, fixar 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 de 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 del voltatge de sortida. A més, el valor d’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 l’ondulació del voltatge de sortida i pot emmagatzemar més energia. No obstant això, un valor d’inductància més gran indica un volum més gran, és a dir, un cost més elevat. Per tant, a l’hora de dissenyar el convertidor, el disseny del valor d’inductància és molt important.

图片18        (5)

Es pot observar per la fórmula (5) que, quan el buit entre la tensió d’entrada i la tensió de sortida és més gran, el corrent d’ondulació de l’inductor serà major, que és la pitjor condició del disseny de l’inductor. Juntament amb altres anàlisis inductives, normalment s’ha de seleccionar el punt de disseny d’inductància del convertidor descendent en les condicions de tensió d’entrada màxima i càrrega completa.

A l’hora de dissenyar el valor d’inductància, cal fer una compensació entre el corrent d’ondulació de l’inductor i la mida de l’inductor, i el factor de corrent d’ondulació (factor de corrent d’ondulació; γ) es defineix aquí, com a la fórmula (6).

图片19(6)

En substituir la fórmula (6) per la fórmula (5), el valor d’inductància es pot expressar com la fórmula (7).

图片20  (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; al contrari, si la tensió d'entrada i sortida és més propera, el disseny del valor γ ha de ser menor. Per triar entre el corrent d’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 sincronitzat de rectificació síncrona a temps constant (Advanced Constant On-Time; ACOTTM), la seva freqüència de commutació és de 700 kHz, el voltatge d’entrada és de 4,5 V a 18 V i el voltatge de sortida és de 1,05 V . El corrent de càrrega completa és de 3A. Com s’ha esmentat anteriorment, el valor d’inductància s’ha de dissenyar en les condicions de la tensió d’entrada màxima de 18V i la càrrega completa de 3A, 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

图片21

 

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

图片22

Per tant, el corrent de pic de l’inductor és

图片23

I el valor efectiu del corrent inductor (IRMS) és

图片24

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

 

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

 

A la taula 5 es detallen els inductors disponibles de diferents sèries de TDK, de mida similar però d’estructura de paquets diferent. Es pot veure a la taula 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 central de l’inductor estampat és el nucli de pols de ferro, de manera que es compara amb el nucli de ferrita dels inductors semi-blindats (VLS6045EX-1R5N) i blindats (SLF7055T-1R5N) amb cola magnètica. , Té bones característiques de biaix de CC. La figura 11 mostra la comparació d’eficiència de diferents inductors aplicats al convertidor reductor sincronitzat de rectificació síncrona a temps constant avançada RT7276. Els resultats mostren que la diferència d’eficiència entre els tres no és significativa. Si teniu en compte els problemes de dissipació de calor, polarització de CC i problemes de dissipació del camp magnètic, es recomana utilitzar inductors SPM6530T-1R5M.

图片25(5)

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

图片26 11

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

Si escolliu la mateixa estructura de paquet i el mateix valor d’inductància, però inductors de mida més petita, com ara SPM4015T-1R5M (4,4 × 4,1 × 1,5 mm), tot i que la seva mida és petita, però la resistència de CC 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. Viouslybviament, la resistència de CC reduirà l’eficiència en càrregues pesades. 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 reduir la mida, sinó també avaluar-ne les deficiències.

 

En conclusió

La inductància és un dels components passius més utilitzats en els convertidors de potència de commutació, que es pot utilitzar per emmagatzemar i filtrar energia. Tanmateix, en el disseny de circuits, no només s’ha de prestar atenció al valor d’inductància, sinó que han de ser altres paràmetres com ara la resistència de corrent altern i el valor Q, la tolerància actual, la saturació del nucli de ferro i l’estructura del paquet, etc. a l’hora de triar 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 introdueix les característiques dels diferents materials del nucli de ferro i com triar una inductància adequada com a referència per al disseny de la font d'alimentació.

 


Hora de publicació: 15 de juny de 2121