novice

Povzetek

Induktorji so zelo pomembne komponente v stikalnih pretvornikih, kot so shranjevanje energije in močnostni filtri. Obstaja veliko vrst induktorjev, na primer za različne aplikacije (od nizkofrekvenčnih do visokofrekvenčnih) ali različni materiali jedra, ki vplivajo na značilnosti induktorja itd. Induktorji, ki se uporabljajo v stikalnih pretvornikih, so visokofrekvenčne magnetne komponente. Vendar pa so zaradi različnih dejavnikov, kot so materiali, delovni pogoji (kot sta napetost in tok) in temperatura okolice, predstavljene značilnosti in teorije precej drugačne. Zato je treba pri načrtovanju vezja poleg osnovnega parametra vrednosti induktivnosti še vedno upoštevati razmerje med impedanco induktorja ter uporom in frekvenco izmeničnega toka, izgubo jedra in značilnosti toka nasičenja itd. Ta članek bo predstavil več pomembnih materialov za jedro induktorja in njihove značilnosti ter vodil inženirje energetike pri izbiri komercialno dostopnih standardnih induktorjev.

Predgovor

Induktor je elektromagnetna indukcijska komponenta, ki nastane z navijanjem določenega števila tuljav (tuljav) na bobin ali jedro z izolirano žico. Ta tuljava se imenuje induktivna tuljava ali induktor. V skladu z načelom elektromagnetne indukcije, ko se tuljava in magnetno polje premikata relativno drug proti drugemu ali ko tuljava ustvari izmenično magnetno polje skozi izmenični tok, se ustvari inducirana napetost, ki se upira spremembi prvotnega magnetnega polja, in ta lastnost zadrževanja tokovne spremembe se imenuje induktivnost.

Formula vrednosti induktivnosti je kot formula (1), ki je sorazmerna z magnetno prepustnostjo, kvadratom ovojev navitja N in površino prečnega prereza ekvivalentnega magnetnega vezja Ae ter je obratno sorazmerna z dolžino ekvivalentnega magnetnega vezja le . Obstaja veliko vrst induktivnosti, od katerih je vsaka primerna za različne aplikacije; induktivnost je povezana z obliko, velikostjo, načinom navijanja, številom obratov in vrsto vmesnega magnetnega materiala.

(1)

Odvisno od oblike železnega jedra induktivnost vključuje toroidno, E jedro in boben; kar zadeva material železnega jedra, obstajata predvsem keramično jedro in dve mehki magnetni vrsti. So ferit in kovinski prah. Glede na strukturo ali način pakiranja obstaja žična navitost, večplastna in oblikovana žica, navita žica pa ima nezaščiteno in polovico magnetnega lepila, zaščiteno (polzaščiteno) in zaščiteno (zaščiteno) itd.

Induktor deluje kot kratek stik v enosmernem toku in predstavlja visoko impedanco za izmenični tok. Osnovne uporabe v vezjih vključujejo dušenje, filtriranje, uglaševanje in shranjevanje energije. Pri uporabi preklopnega pretvornika je induktor najpomembnejša komponenta za shranjevanje energije in tvori nizkopasovni filter z izhodnim kondenzatorjem za zmanjšanje valovanja izhodne napetosti, zato ima tudi pomembno vlogo pri funkciji filtriranja.

Ta članek bo predstavil različne materiale jedra induktorjev in njihove značilnosti ter nekatere električne značilnosti induktorjev kot pomembno ocenjevalno referenco za izbiro induktorjev med načrtovanjem vezja. V primeru uporabe bo s praktičnimi primeri predstavljeno, kako izračunati vrednost induktivnosti in kako izbrati komercialno dostopen standardni induktor.

Vrsta jedrnega materiala

Induktorji, ki se uporabljajo v stikalnih pretvornikih, so visokofrekvenčne magnetne komponente. Material jedra v središču najbolj vpliva na značilnosti induktorja, kot so impedanca in frekvenca, vrednost in frekvenca induktivnosti ali značilnosti nasičenosti jedra. V nadaljevanju bo uvedena primerjava več običajnih materialov železnega jedra in njihovih značilnosti nasičenja kot pomembna referenca za izbiro močnostnih induktorjev:

1. Keramično jedro

Keramično jedro je eden od običajnih materialov za induktivnost. Uporablja se predvsem za zagotavljanje podporne strukture, ki se uporablja pri navijanju tuljave. Imenuje se tudi "induktor z zračnim jedrom". Ker je uporabljeno železno jedro nemagnetni material z zelo nizkim temperaturnim koeficientom, je vrednost induktivnosti zelo stabilna v območju delovne temperature. Vendar pa je zaradi nemagnetnega materiala kot medija induktivnost zelo nizka, kar ni zelo primerno za uporabo pretvornikov moči.

2. Ferit

Feritno jedro, ki se uporablja v splošnih visokofrekvenčnih induktorjih, je feritna spojina, ki vsebuje nikelj-cink (NiZn) ali mangan-cink (MnZn), ki je mehkomagnetni feromagnetni material z nizko koercitivnostjo. Slika 1 prikazuje krivuljo histereze (zanko BH) splošnega magnetnega jedra. Koercitivno silo HC magnetnega materiala imenujemo tudi koercitivna sila, kar pomeni, da ko je bil magnetni material namagneten do magnetne nasičenosti, se njegova magnetizacija (magnetizacija) zmanjša na nič. Zahtevana jakost magnetnega polja v tem trenutku. Nižja koercitivnost pomeni manjšo odpornost proti razmagnetenju in tudi manjšo histerezno izgubo.

Feriti mangan-cink in nikelj-cink imajo razmeroma visoko relativno prepustnost (μr), približno 1500-15000 oziroma 100-1000. Njihova visoka magnetna prepustnost naredi železno jedro višje v določeni prostornini. Induktivnost. Pomanjkljivost pa je, da je dopustni tok nasičenja nizek in ko je železno jedro nasičeno, bo magnetna prepustnost močno padla. Glejte sliko 4 za padajoči trend magnetne prepustnosti feritnih jeder in jeder iz praškastega železa, ko je železno jedro nasičeno. Primerjava. Pri uporabi v močnostnih induktorjih bo v glavnem magnetnem vezju ostala zračna reža, ki lahko zmanjša prepustnost, prepreči nasičenje in shrani več energije; ko je vključena zračna reža, je lahko ekvivalentna relativna prepustnost približno 20- Med 200. Ker lahko visoka upornost samega materiala zmanjša izgubo, ki jo povzroči vrtinčni tok, je izguba nižja pri visokih frekvencah in je primernejša za visokofrekvenčni transformatorji, induktorji EMI filtrov in induktorji za shranjevanje energije močnostnih pretvornikov. Z vidika delovne frekvence je za uporabo primeren nikelj-cink ferit (>1 MHz), mangan-cink ferit pa za nižje frekvenčne pasove (<2 MHz).

1

Slika 1. Histerezna krivulja magnetnega jedra (BR: remanenca; BSAT: nasičena gostota magnetnega pretoka)

3. Jedro iz železa v prahu

Jedra iz železovega prahu so tudi mehkomagnetni feromagnetni materiali. Izdelani so iz zlitin železovega prahu različnih materialov ali samo iz železovega prahu. Formula vsebuje nemagnetne materiale z različnimi velikostmi delcev, zato je krivulja nasičenosti razmeroma blaga. Jedro praškastega železa je večinoma toroidno. Slika 2 prikazuje jedro iz praškastega železa in njegov prečni prerez.

Običajna železova jedra v prahu vključujejo zlitino železo-nikelj-molibden (MPP), sendust (Sendust), zlitino železo-nikelj (visok pretok) in jedro iz železovega prahu (železov prah). Zaradi različnih komponent se razlikujejo tudi njegove karakteristike in cene, kar vpliva na izbiro induktorjev. V nadaljevanju bomo predstavili zgoraj omenjene vrste jeder in primerjali njihove značilnosti:

A. Zlitina železa, niklja in molibdena (MPP)

Fe-Ni-Mo zlitina je skrajšana kot MPP, kar je okrajšava za molipermalojski prah. Relativna prepustnost je približno 14-500, gostota magnetnega pretoka nasičenja pa približno 7500 Gauss (Gauss), kar je višje od gostote magnetnega pretoka nasičenja ferita (približno 4000-5000 Gauss). Mnogi zunaj. MPP ima najmanjšo izgubo železa in ima najboljšo temperaturno stabilnost med praškastimi jedri. Ko zunanji enosmerni tok doseže tok nasičenja ISAT, se vrednost induktivnosti počasi zmanjša brez nenadnega slabljenja. MPP ima boljše zmogljivosti, vendar višje stroške in se običajno uporablja kot močnostni induktor in EMI filtriranje za močnostne pretvornike.

B. Sendust

Železovo jedro iz zlitine železa, silicija in aluminija je jedro iz zlitine železa, sestavljeno iz železa, silicija in aluminija, z relativno magnetno prepustnostjo od približno 26 do 125. Izguba železa je med jedrom iz železovega prahu in MPP ter zlitino železa in niklja . Gostota magnetnega pretoka nasičenja je višja od MPP, približno 10500 Gaussov. Temperaturna stabilnost in karakteristike nasičenega toka so nekoliko slabše od MPP in zlitin železa in niklja, vendar boljše od jedra iz železovega prahu in feritnega jedra, relativni stroški pa so cenejši od MPP in zlitin železa in niklja. Večinoma se uporablja v vezjih za filtriranje EMI, korekcijo faktorja moči (PFC) in močnostne induktorje stikalnih močnostnih pretvornikov.

C. Zlitina železa in niklja (visok pretok)

Jedro iz zlitine železa in niklja je izdelano iz železa in niklja. Relativna magnetna prepustnost je približno 14-200. Izguba železa in temperaturna stabilnost sta med MPP in zlitino železa, silicija in aluminija. Jedro iz zlitine železa in niklja ima najvišjo gostoto magnetnega pretoka nasičenja, približno 15.000 Gaussov, in lahko prenese višje enosmerne prednapetostne tokove, boljše pa so tudi njegove enosmerne prednapetostne lastnosti. Področje uporabe: aktivni popravek faktorja moči, induktivnost shranjevanja energije, induktivnost filtra, visokofrekvenčni transformator povratnega pretvornika itd.

D. Železov prah

Jedro železovega prahu je izdelano iz delcev železovega prahu visoke čistosti z zelo majhnimi delci, ki so izolirani drug od drugega. Zaradi postopka izdelave ima porazdeljeno zračno režo. Poleg oblike obroča imajo običajne oblike jedra iz železovega prahu tudi tip E in tip žigosanja. Relativna magnetna prepustnost jedra iz železovega prahu je približno 10 do 75, gostota magnetnega pretoka visoke nasičenosti pa približno 15000 Gaussov. Med jedri iz železovega prahu ima jedro iz železovega prahu največjo izgubo železa, vendar najnižjo ceno.

Slika 3 prikazuje BH krivulje mangan-cinkovega ferita PC47 proizvajalca TDK in jeder iz železa v prahu -52 in -2 proizvajalca MICROMETALS; relativna magnetna prepustnost mangan-cinkovega ferita je veliko višja kot pri železovih jedrih v prahu in je nasičena. Tudi gostota magnetnega pretoka je zelo različna, ferit je približno 5000 Gaussov, jedro iz železovega prahu pa več kot 10000 Gaussov.

3

Slika 3. BH krivulja mangan-cinkovega feritnega in železovega praškastega jedra iz različnih materialov

Če povzamemo, so značilnosti nasičenosti železnega jedra različne; ko je tok nasičenja presežen, bo magnetna prepustnost feritnega jedra močno padla, medtem ko se jedro železovega prahu lahko počasi zmanjša. Slika 4 prikazuje značilnosti padca magnetne prepustnosti jedra iz praškastega železa z enako magnetno prepustnostjo in ferita z zračno režo pri različnih jakostih magnetnega polja. To pojasnjuje tudi induktivnost feritnega jedra, ker prepustnost močno pade, ko je jedro nasičeno, kot je razvidno iz enačbe (1), povzroči tudi močan padec induktivnosti; medtem ko praškasto jedro s porazdeljeno zračno režo, magnetna prepustnost Hitrost počasi upada, ko je železno jedro nasičeno, zato se induktivnost manjša bolj nežno, kar pomeni, da ima boljše karakteristike DC prednapetosti. Pri uporabi močnostnih pretvornikov je ta lastnost zelo pomembna; če značilnost počasne nasičenosti induktorja ni dobra, se tok induktorja dvigne do toka nasičenja in nenaden padec induktivnosti povzroči, da se tokovna napetost preklopnega kristala močno poveča, kar je lahko povzročiti škodo.

4

Slika 4. Značilnosti padca magnetne prepustnosti jedra iz praškastega železa in jedra iz feritnega železa z zračno režo pri različnih jakostih magnetnega polja.

Električne lastnosti induktorja in struktura paketa

Pri načrtovanju stikalnega pretvornika in izbiri induktorja je treba upoštevati vrednost induktivnosti L, impedanco Z, izmenični upor ACR in vrednost Q (faktor kakovosti), nazivni tok IDC in ISAT ter izgubo jedra (izguba jedra) in druge pomembne električne značilnosti. upoštevati. Poleg tega bo struktura embalaže induktorja vplivala na obseg magnetnega uhajanja, kar posledično vpliva na EMI. V nadaljevanju bodo ločeno obravnavane zgoraj omenjene značilnosti kot premisleki pri izbiri induktorjev.

1. Vrednost induktivnosti (L)

Vrednost induktivnosti induktorja je najpomembnejši osnovni parameter pri načrtovanju vezja, vendar je treba preveriti, ali je vrednost induktivnosti stabilna pri delovni frekvenci. Nazivna vrednost induktivnosti se običajno meri pri 100 kHz ali 1 MHz brez zunanjega enosmernega prednapetja. Da bi zagotovili možnost množične avtomatizirane proizvodnje, je toleranca induktorja običajno ±20% (M) in ±30% (N). Slika 5 je graf induktivnosti in frekvence induktorja Taiyo Yuden NR4018T220M, izmerjen z merilnikom LCR Wayna Kerra. Kot je prikazano na sliki, je krivulja vrednosti induktivnosti razmeroma ravna pred 5 MHz in vrednost induktivnosti je skoraj mogoče obravnavati kot konstanto. V visokofrekvenčnem pasu se bo vrednost induktivnosti povečala zaradi resonance, ki jo povzročata parazitska kapacitivnost in induktivnost. Ta resonančna frekvenca se imenuje lastna resonančna frekvenca (SRF), ki mora biti običajno veliko višja od delovne frekvence.

5

Slika 5, Taiyo Yuden NR4018T220M merilni diagram induktivnosti in frekvence

2. Impedanca (Z)

Kot je prikazano na sliki 6, je diagram impedance razviden tudi iz delovanja induktivnosti pri različnih frekvencah. Impedanca induktorja je približno sorazmerna s frekvenco (Z=2πfL), tako da višja kot je frekvenca, bo reaktanca veliko večja od AC upora, zato se impedanca obnaša kot čista induktivnost (faza je 90˚). Pri visokih frekvencah je zaradi učinka parazitske kapacitivnosti vidna samoresonančna frekvenčna točka impedance. Po tej točki impedanca pade in postane kapacitivna, faza pa se postopoma spremeni na -90 ˚.

6

3. Vrednost Q in izmenični upor (ACR)

Vrednost Q v definiciji induktivnosti je razmerje med reaktanco in uporom, to je razmerje med namišljenim in realnim delom impedance, kot v formuli (2).

(2)

Kjer je XL reaktanca induktorja, RL pa AC upor induktorja.

V nizkofrekvenčnem območju je AC upor večji od reaktanse, ki jo povzroča induktivnost, zato je njegova vrednost Q zelo nizka; ko frekvenca narašča, reaktanca (približno 2πfL) postaja vedno večja, tudi če upor zaradi učinka kože (skin effect) in učinka bližine (proximity) Učinek postaja vedno večji in vrednost Q še vedno narašča s frekvenco ; ko se približuje SRF, se induktivna reaktanca postopoma izravna s kapacitivno reaktanco in vrednost Q postopoma postane manjša; ko SRF postane nič, ker sta induktivna reaktanca in kapacitivna reaktanca popolnoma enaki Izgine. Slika 7 prikazuje razmerje med vrednostjo Q in frekvenco NR4018T220M, razmerje pa je v obliki obrnjenega zvona.

7

Slika 7. Razmerje med vrednostjo Q in frekvenco induktorja Taiyo Yuden NR4018T220M

V frekvenčnem pasu induktivnosti aplikacije je višja vrednost Q, tem bolje; to pomeni, da je njegova reaktanca veliko večja od AC upora. Na splošno je najboljša vrednost Q nad 40, kar pomeni, da je kakovost induktorja dobra. Vendar pa se na splošno, ko se prednapetost enosmernega toka poveča, vrednost induktivnosti zmanjša in zmanjša se tudi vrednost Q. Če se uporablja ploščata emajlirana žica ali večžilna emajlirana žica, se lahko zmanjša učinek kože, to je odpornost na izmenični tok, prav tako pa se lahko poveča vrednost Q induktorja.

Enosmerni upor DCR na splošno velja za enosmerni upor bakrene žice, upor pa je mogoče izračunati glede na premer in dolžino žice. Vendar bo večina induktorjev SMD z nizkim tokom uporabila ultrazvočno varjenje za izdelavo bakrene pločevine SMD na terminalu navitja. Ker pa bakrena žica ni dolga in vrednost upora ni visoka, varilna upornost pogosto predstavlja znaten delež celotne upornosti na enosmerni tok. Če za primer vzamemo žično navito SMD tuljavo TDK CLF6045NIT-1R5N, je izmerjena enosmerna upornost 14,6 mΩ, enosmerna upornost, izračunana na podlagi premera in dolžine žice, pa 12,1 mΩ. Rezultati kažejo, da ta varilna odpornost predstavlja približno 17 % celotne odpornosti na enosmerni tok.

Odpornost na izmenični tok ACR ima kožni učinek in učinek bližine, zaradi česar se ACR povečuje s frekvenco; pri uporabi splošne induktivnosti, ker je AC komponenta veliko nižja od DC komponente, vpliv, ki ga povzroča ACR, ni očiten; toda pri majhni obremenitvi, ker je enosmerna komponenta zmanjšana, izgube, ki jo povzroči ACR, ni mogoče prezreti. Učinek kože pomeni, da je v pogojih izmeničnega toka porazdelitev toka znotraj prevodnika neenakomerna in koncentrirana na površini žice, kar ima za posledico zmanjšanje ekvivalentne površine prečnega prereza žice, kar posledično poveča ekvivalentno upornost žice z pogostost. Poleg tega bodo v navitju žice sosednje žice povzročile seštevanje in odštevanje magnetnih polj zaradi toka, tako da je tok koncentriran na površini, ki meji na žico (ali najbolj oddaljeni površini, odvisno od smeri toka ), kar povzroči tudi enakovredno prestrezanje žice. Pojav, da se površina zmanjša in ekvivalentni upor poveča, je tako imenovani učinek bližine; pri uporabi induktivnosti večplastnega navitja je učinek bližine še bolj očiten.

8

Slika 8 prikazuje razmerje med izmeničnim uporom in frekvenco žične tuljave SMD NR4018T220M. Pri frekvenci 1 kHz je upor približno 360 mΩ; pri 100kHz se upor dvigne na 775mΩ; pri 10MHz je vrednost upora blizu 160Ω. Pri ocenjevanju izgube bakra mora izračun upoštevati ACR, ki ga povzročijo učinki kože in bližine, ter ga spremeniti v formulo (3).

4. Tok nasičenja (ISAT)

Tok nasičenja ISAT je na splošno prednapetostni tok, označen, ko je vrednost induktivnosti oslabljena, na primer za 10 %, 30 % ali 40 %. Ker je ferit z zračno režo zelo hiter, ni velike razlike med 10 % in 40 %. Glejte sliko 4. Vendar, če gre za jedro iz železovega prahu (kot je vtisnjena tuljava), je krivulja nasičenosti razmeroma blaga, kot je prikazano na sliki 9, je prednapetostni tok pri 10 % ali 40 % slabljenja induktivnosti precej različna, zato bo vrednost toka nasičenja obravnavana ločeno za obe vrsti železnih jeder, kot sledi.

Za ferit z zračno režo je smiselno uporabiti ISAT kot zgornjo mejo največjega induktorskega toka za aplikacije vezja. Če pa gre za jedro iz železovega prahu, zaradi počasne nasičenosti ne bo težav, tudi če največji tok aplikacijskega vezja preseže ISAT. Zato je ta značilnost železnega jedra najprimernejša za aplikacije preklopnih pretvornikov. Pod veliko obremenitvijo, čeprav je vrednost induktivnosti induktorja nizka, kot je prikazano na sliki 9, je faktor valovanja toka visok, toda toleranca toka kondenzatorja je visoka, tako da to ne bo problem. Pod majhno obremenitvijo je vrednost induktivnosti induktorja večja, kar pomaga zmanjšati valovitost toka induktorja in s tem zmanjšati izgubo železa. Slika 9 primerja krivuljo nasičenega toka TDK-jevega navitega ferita SLF7055T1R5N in induktorja z jedrom iz železnega prahu SPM6530T1R5M pri enaki nazivni vrednosti induktivnosti.

9

Slika 9. Krivulja nasičenega toka navitega feritnega jedra in jedra iz vtisnjenega železovega prahu pri enaki nazivni vrednosti induktivnosti

5. Nazivni tok (IDC)

Vrednost IDC je pristranskost enosmernega toka, ko se temperatura induktorja dvigne na Tr˚C. Specifikacije navajajo tudi njegovo vrednost enosmernega upora RDC pri 20˚C. Glede na temperaturni koeficient bakrene žice je približno 3.930 ppm, ko se temperatura Tr dvigne, je njegova vrednost upora RDC_Tr = RDC (1+0,00393Tr), njena poraba energije pa PCU = I2DCxRDC. Ta izguba bakra se razprši na površini induktorja in toplotni upor ΘTH induktorja je mogoče izračunati:

(2)

Tabela 2 se nanaša na podatkovni list serije TDK VLS6045EX (6,0×6,0×4,5 mm) in izračuna toplotni upor pri dvigu temperature za 40˚C. Očitno je, da je za induktorje iste serije in velikosti izračunana toplotna upornost skoraj enaka zaradi enake površine odvajanja toplote; z drugimi besedami, lahko se oceni nazivni tok IDC različnih induktorjev. Različne serije (paketi) induktorjev imajo različne toplotne upore. Tabela 3 primerja toplotno upornost induktorjev serije TDK VLS6045EX (polzaščitena) in serije SPM6530 (ulita). Večji kot je toplotni upor, večji je dvig temperature, ki nastane, ko induktivnost teče skozi obremenitveni tok; drugače pa nižje.

(2)

Tabela 2. Toplotna odpornost induktorjev serije VLS6045EX pri dvigu temperature za 40˚C

Iz tabele 3 je razvidno, da je tudi če je velikost induktorjev podobna, toplotna upornost vtisnjenih induktorjev nizka, kar pomeni, da je odvajanje toplote boljše.

(3)

Tabela 3. Primerjava toplotne upornosti različnih paketnih induktorjev.

6. Izguba jedra

Izguba jedra, imenovana izguba železa, je v glavnem posledica izgube zaradi vrtinčnih tokov in izgube zaradi histereze. Velikost izgube zaradi vrtinčnih tokov je v glavnem odvisna od tega, ali je material jedra enostaven za "vodenje"; če je prevodnost visoka, to je upornost nizka, je izguba na vrtinčne tokove velika, in če je upornost ferita visoka, je izguba na vrtinčne tokove relativno majhna. Izguba vrtinčnega toka je povezana tudi s frekvenco. Višja kot je frekvenca, večja je izguba vrtinčnega toka. Zato bo material jedra določil pravilno delovno frekvenco jedra. Na splošno lahko delovna frekvenca jedra iz železovega prahu doseže 1MHz, delovna frekvenca ferita pa lahko doseže 10MHz. Če delovna frekvenca preseže to frekvenco, se bo izguba vrtinčnega toka hitro povečala in temperatura jedra železa se bo povečala. S hitrim razvojem materialov za železna jedra pa bi morala biti železna jedra z višjimi delovnimi frekvencami tik za vogalom.

Druga izguba železa je izguba zaradi histereze, ki je sorazmerna s površino, ki jo obdaja krivulja histereze, ki je povezana z amplitudo nihanja AC komponente toka; večje kot je AC nihanje, večja je histerezna izguba.

V ekvivalentnem vezju induktorja se za izražanje izgube železa pogosto uporablja upor, povezan vzporedno z induktorjem. Ko je frekvenca enaka SRF, se induktivna in kapacitivna reaktanca izničita, ekvivalentna reaktanca pa je nič. V tem času je impedanca induktorja enakovredna uporu izgube železa v seriji z uporom navitja, upor izgube železa pa je veliko večji od upora navitja, zato je impedanca pri SRF približno enaka uporu izgube železa. Če za primer vzamemo nizkonapetostni induktor, je njegova odpornost proti izgubi železa približno 20 kΩ. Če je efektivna vrednost napetosti na obeh koncih induktorja ocenjena na 5 V, je njegova izguba železa približno 1,25 mW, kar tudi kaže, da večja kot je upornost izgube železa, tem bolje.

7. Zgradba ščita

Struktura embalaže feritnih induktorjev vključuje nezaščitene, polzaščitene z magnetnim lepilom in oklopljene, v obeh pa je precejšnja zračna reža. Očitno bo zračna reža imela magnetno uhajanje in v najslabšem primeru bo motila okoliška majhna signalna vezja ali če je v bližini magnetni material, se bo spremenila tudi njegova induktivnost. Druga embalažna struktura je induktor iz železnega prahu. Ker znotraj induktorja ni vrzeli in je struktura navitja trdna, je problem disipacije magnetnega polja razmeroma majhen. Slika 10 prikazuje uporabo funkcije FFT osciloskopa RTO 1004 za merjenje velikosti magnetnega polja uhajanja na 3 mm nad in ob strani vtisnjene tuljave. Tabela 4 navaja primerjavo magnetnega polja uhajanja induktorjev različnih struktur paketa. Vidimo lahko, da imajo nezaščitene tuljave najresnejše magnetno uhajanje; žigosani induktorji imajo najmanjše magnetno uhajanje in kažejo najboljši učinek magnetne zaščite. . Razlika v velikosti magnetnega polja uhajanja induktorjev teh dveh struktur je približno 14 dB, kar je skoraj 5-krat.

10

Slika 10. Magnituda magnetnega polja uhajanja, izmerjena na 3 mm nad in ob strani vtisnjenega induktorja

(4)

Tabela 4. Primerjava magnetnega polja uhajanja induktorjev z različnimi ohišji

8. sklopka

V nekaterih aplikacijah je včasih na tiskanem vezju več sklopov enosmernih pretvornikov, ki so običajno razporejeni drug poleg drugega, in njihovi ustrezni induktorji so prav tako razporejeni drug poleg drugega. Če uporabljate nezaščiten ali polzaščiten tip z magnetnim lepilom, so lahko induktorji povezani med seboj, da tvorijo motnje EMI. Zato je pri nameščanju induktorja priporočljivo, da najprej označite polarnost induktorja in povežete začetno in navijalno točko najbolj notranjega sloja induktorja s preklopno napetostjo pretvornika, kot je VSW pretvornika z nižjo vrednostjo, ki je gibljiva točka. Izhodni terminal je povezan z izhodnim kondenzatorjem, ki je statična točka; navitje bakrene žice torej tvori določeno stopnjo zaščite električnega polja. V razporeditvi ožičenja multiplekserja določanje polarnosti induktivnosti pomaga popraviti velikost medsebojne induktivnosti in se izogniti nekaterim nepričakovanim težavam z EMI.

Aplikacije:

Prejšnje poglavje je razpravljalo o materialu jedra, strukturi paketa in pomembnih električnih značilnostih induktorja. V tem poglavju je razloženo, kako izbrati ustrezno vrednost induktivnosti pretvornika za znižanje vrednosti in kaj je treba upoštevati pri izbiri komercialno dostopne tuljave.

Kot je prikazano v enačbi (5), bosta vrednost induktorja in preklopna frekvenca pretvornika vplivala na nihanje toka induktorja (ΔiL). Valovitni tok induktorja bo tekel skozi izhodni kondenzator in vplival na valovitni tok izhodnega kondenzatorja. Zato bo to vplivalo na izbiro izhodnega kondenzatorja in dodatno vplivalo na velikost valovanja izhodne napetosti. Poleg tega bosta vrednost induktivnosti in vrednost izhodne kapacitivnosti vplivala tudi na povratno zasnovo sistema in dinamični odziv bremena. Izbira večje vrednosti induktivnosti ima manjšo tokovno obremenitev kondenzatorja, prav tako je koristna za zmanjšanje valovanja izhodne napetosti in lahko shrani več energije. Vendar pa večja vrednost induktivnosti pomeni večjo prostornino, to je višji strošek. Zato je pri načrtovanju pretvornika zelo pomembna zasnova vrednosti induktivnosti.

(5)

Iz formule (5) je razvidno, da ko je razlika med vhodno napetostjo in izhodno napetostjo večja, bo tok valovanja induktorja večji, kar je najslabši možni pogoj zasnove induktorja. Skupaj z drugo induktivno analizo je treba načrtovalno točko induktivnosti padajočega pretvornika običajno izbrati pod pogoji največje vhodne napetosti in polne obremenitve.

Pri načrtovanju vrednosti induktivnosti je treba narediti kompromis med valovitostjo induktorskega toka in velikostjo induktorja, faktor valovitosti toka (faktor valovitosti toka; γ) pa je definiran tukaj, kot v formuli (6).

（6）

Če formulo (6) nadomestimo s formulo (5), lahko vrednost induktivnosti izrazimo kot formulo (7).

（7）

V skladu s formulo (7), ko je razlika med vhodno in izhodno napetostjo večja, lahko vrednost γ izberemo večjo; nasprotno, če sta vhodna in izhodna napetost bližje, mora biti zasnova vrednosti γ manjša. Da bi lahko izbirali med valovitostjo induktorskega toka in velikostjo, je glede na tradicionalno vrednost izkušenj pri načrtovanju γ običajno 0,2 do 0,5. V nadaljevanju vzamemo RT7276 kot primer za ponazoritev izračuna induktivnosti in izbire komercialno dostopnih induktorjev.

Primer zasnove: zasnovan z naprednim konstantnim vklopnim pretvornikom RT7276 (Advanced Constant On-Time; ACOTTM) sinhronim rektifikacijskim padajočim pretvornikom, njegova preklopna frekvenca je 700 kHz, vhodna napetost je 4,5 V do 18 V, izhodna napetost pa 1,05 V . Tok polne obremenitve je 3A. Kot je navedeno zgoraj, mora biti vrednost induktivnosti zasnovana pod pogoji največje vhodne napetosti 18 V in polne obremenitve 3 A, vrednost γ se vzame kot 0,35 in zgornja vrednost se nadomesti z enačbo (7), induktivnost vrednost je

Uporabite induktor z običajno nominalno vrednostjo induktivnosti 1,5 µH. Nadomestite formulo (5) za izračun valovitosti toka induktorja, kot sledi.

Zato je vršni tok induktorja

In efektivna vrednost induktorskega toka (IRMS) je

Ker je komponenta valovanja induktorja majhna, je efektivna vrednost toka induktorja v glavnem njegova enosmerna komponenta in ta efektivna vrednost se uporablja kot osnova za izbiro nazivnega toka induktorja IDC. Pri zasnovi z 80-odstotnim zmanjšanjem moči so zahteve glede induktivnosti:

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

V tabeli 5 so navedeni razpoložljivi induktorji različnih serij TDK, podobnih velikosti, vendar različnih struktur paketa. Iz tabele je razvidno, da sta tok nasičenja in nazivni tok žigosanega induktorja (SPM6530T-1R5M) velika, toplotna upornost pa majhna in odvajanje toplote dobro. Poleg tega je glede na razpravo v prejšnjem poglavju material jedra vtisnjene tuljave jedro iz železovega prahu, zato ga primerjamo s feritnim jedrom polzaščitenih (VLS6045EX-1R5N) in zaščitenih (SLF7055T-1R5N) induktorjev z magnetnim lepilom. , Ima dobre karakteristike enosmerne prednapetosti. Slika 11 prikazuje primerjavo učinkovitosti različnih induktorjev, uporabljenih za napredni sinhroni usmerjevalni padajoči pretvornik RT7276 s konstantnim časom vklopa. Rezultati kažejo, da razlika v učinkovitosti med tremi ni pomembna. Če upoštevate težave z odvajanjem toplote, prednapetostjo enosmernega toka in odvajanjem magnetnega polja, je priporočljiva uporaba induktorjev SPM6530T-1R5M.

（5）

Tabela 5. Primerjava induktivnosti različnih serij TDK

11

Slika 11. Primerjava učinkovitosti pretvornika z različnimi induktorji

Če izberete enako strukturo paketa in vrednost induktivnosti, vendar manjše velikosti induktorjev, kot je SPM4015T-1R5M (4,4 × 4,1 × 1,5 mm), čeprav je njegova velikost majhna, vendar imata enosmerni upor RDC (44,5 mΩ) in toplotni upor ΘTH ( 51˚C) /W) Večje. Pri pretvornikih z enakimi specifikacijami je enaka tudi efektivna vrednost toka, ki ga induktor prenaša. Očitno bo odpornost na enosmerni tok zmanjšala učinkovitost pod veliko obremenitvijo. Poleg tega velik toplotni upor pomeni slabo odvajanje toplote. Zato pri izbiri induktorja ni treba upoštevati le prednosti zmanjšane velikosti, temveč tudi oceniti njegove spremljajoče pomanjkljivosti.

Za zaključek

Induktivnost je ena izmed pogosto uporabljenih pasivnih komponent v stikalnih močnostnih pretvornikih, ki se lahko uporabljajo za shranjevanje in filtriranje energije. Vendar pa pri načrtovanju vezja ni treba posvetiti pozornosti samo vrednosti induktivnosti, ampak tudi drugim parametrom, vključno z izmeničnim uporom in vrednostjo Q, toleranco toka, nasičenostjo železnega jedra in strukturo paketa itd. upoštevati pri izbiri induktorja. . Ti parametri so običajno povezani z jedrnim materialom, proizvodnim procesom ter velikostjo in ceno. Zato ta članek predstavlja značilnosti različnih materialov železnega jedra in kako izbrati ustrezno induktivnost kot referenco za načrtovanje napajalnika.