hír

Összegzés

Az induktorok nagyon fontos alkatrészek a kapcsolókonverterekben, például az energiatárolókban és a teljesítményszűrőkben. Sokféle induktor létezik, például különböző alkalmazásokhoz (alacsony frekvenciától a magas frekvenciáig), vagy különböző maganyagok, amelyek befolyásolják az induktor jellemzőit, stb. A kapcsolókonverterekben használt induktorok nagyfrekvenciás mágneses alkatrészek. Különböző tényezők, például anyagok, működési feltételek (például feszültség és áram) és környezeti hőmérséklet miatt azonban a bemutatott jellemzők és elméletek meglehetősen eltérőek. Ezért az áramkör tervezésénél az induktivitás értékének alapparamétere mellett továbbra is figyelembe kell venni az induktor impedanciája és a váltakozó áramú ellenállás és frekvencia kapcsolatát, a magveszteséget és a telítési áram jellemzőit stb. Ez a cikk bemutat néhány fontos tekercsmag-anyagot és azok jellemzőit, valamint az energiamérnököket a kereskedelemben kapható szabványos tekercsek kiválasztásához.

Előszó

Az induktor egy elektromágneses indukciós alkatrész, amelyet úgy alakítanak ki, hogy bizonyos számú tekercset (tekercset) szigetelt vezetékkel egy orsóra vagy magra tekernek. Ezt a tekercset induktív tekercsnek vagy induktornak nevezik. Az elektromágneses indukció elve szerint, amikor a tekercs és a mágneses tér egymáshoz képest elmozdul, vagy a tekercs váltakozó árammal váltakozó mágneses teret hoz létre, akkor indukált feszültség keletkezik, amely ellenáll az eredeti mágneses tér változásának, és ezt az áramváltozás visszatartásának jellemzőjét induktivitásnak nevezzük.

Az induktivitás értékének képlete az (1) képlet, amely arányos a mágneses permeabilitással, a tekercsfordulatok N négyzetével és az ekvivalens mágneses kör keresztmetszeti területével Ae, és fordítottan arányos az ekvivalens le mágneses kör hosszával. . Sokféle induktivitás létezik, amelyek mindegyike különböző alkalmazásokhoz alkalmas; az induktivitás az alakhoz, mérethez, tekercselési módhoz, fordulatok számához és a közbenső mágneses anyag típusához kapcsolódik.

(1)

A vasmag alakjától függően az induktivitás toroidális, E-magot és dobot foglal magában; a vasmag anyagát tekintve főként kerámiamag és két lágymágneses típus létezik. Ezek ferrit és fémpor. Szerkezettől vagy csomagolási módtól függően van tekercselt, többrétegű és öntött huzal, a tekercselt huzal pedig nem árnyékolt és fele mágneses ragasztó Árnyékolt (félig árnyékolt) és árnyékolt (árnyékolt) stb.

Az induktor egyenáramban rövidzárként működik, és nagy impedanciát mutat a váltakozó árammal szemben. Az áramkörökben az alapvető felhasználási területek közé tartozik a fojtás, a szűrés, a hangolás és az energiatárolás. A kapcsolókonverter alkalmazásában az induktor a legfontosabb energiatároló komponens, amely a kimeneti kondenzátorral aluláteresztő szűrőt képez a kimeneti feszültség hullámosságának csökkentésére, így a szűrési funkcióban is fontos szerepet játszik.

Ez a cikk bemutatja az induktorok különböző maganyagait és jellemzőit, valamint az induktorok néhány elektromos jellemzőjét, amelyek fontos értékelési referenciaként szolgálnak az induktorok kiválasztásához az áramkör tervezése során. Az alkalmazási példában gyakorlati példákon keresztül bemutatjuk az induktivitás értékének kiszámítását és a kereskedelemben kapható szabványos tekercs kiválasztását.

Maganyag típusa

A kapcsolókonverterekben használt induktorok nagyfrekvenciás mágneses alkatrészek. A középen lévő maganyag befolyásolja leginkább az induktor jellemzőit, például az impedanciát és a frekvenciát, az induktivitás értékét és frekvenciáját, vagy a magtelítési jellemzőket. Az alábbiakban bemutatjuk számos elterjedt vasmag anyag összehasonlítását és telítési jellemzőit, amelyek fontos referenciaként szolgálhatnak a teljesítményinduktorok kiválasztásához:

1. Kerámia mag

A kerámia mag az egyik leggyakoribb induktivitású anyag. Főleg a tekercs tekercselésekor használt tartószerkezet biztosítására használják. „Légmagos induktornak” is nevezik. Mivel a használt vasmag nem mágneses anyag, nagyon alacsony hőmérsékleti együtthatóval, az induktivitás értéke nagyon stabil az üzemi hőmérsékleti tartományban. A nem mágneses közeg miatt azonban az induktivitás nagyon alacsony, ami nem nagyon alkalmas teljesítményátalakítók alkalmazására.

2. Ferrit

Az általános nagyfrekvenciás induktorokban használt ferritmag egy nikkel-cinket (NiZn) vagy mangán-cinket (MnZn) tartalmazó ferritvegyület, amely lágy mágneses ferromágneses anyag, alacsony koercitivitással. Az 1. ábra egy általános mágneses mag hiszterézisgörbéjét (BH hurok) mutatja. A mágneses anyag HC koercitív erejét koercitív erőnek is nevezik, ami azt jelenti, hogy amikor a mágneses anyagot mágneses telítettségig felmágnesezték, akkor a mágnesezettsége (mágnesezése) nullára csökken Az adott időpontban szükséges mágneses térerősséghez. Az alacsonyabb koercitivitás kisebb lemágnesezési ellenállást és kisebb hiszterézisveszteséget is jelent.

A mangán-cink és a nikkel-cink ferritek viszonylag magas relatív permeabilitással (μr) rendelkeznek, körülbelül 1500-15000, illetve 100-1000. Nagy mágneses áteresztőképességük miatt a vasmag bizonyos térfogatban magasabb. Az induktivitás. Hátránya azonban, hogy az elviselhető telítési árama alacsony, és ha a vasmag telített, a mágneses permeabilitás erősen csökken. Lásd a 4. ábrát a ferrit- és vaspormagok mágneses permeabilitásának csökkenő tendenciájára, ha a vasmag telített. Összehasonlítás. Ha teljesítményinduktorokban használják, a fő mágneses áramkörben légrés marad, ami csökkentheti a permeabilitást, elkerülheti a telítést és több energiát tárolhat; a légrés beszámítása esetén az egyenértékű relatív permeabilitás kb. 20- 200 között lehet. Mivel magának az anyagnak a nagy ellenállása csökkentheti az örvényáram okozta veszteséget, a veszteség magas frekvenciákon kisebb, és alkalmasabb nagyfrekvenciás transzformátorok, EMI szűrő induktorok és teljesítményátalakítók energiatároló induktorai. Az üzemi frekvenciát tekintve a nikkel-cink-ferrit (>1 MHz), míg a mangán-cink-ferrit az alacsonyabb frekvenciasávokra (<2 MHz) alkalmas.

1

1. ábra: A mágneses mag hiszterézis görbéje (BR: remanencia; BSAT: telítési mágneses fluxussűrűség)

3. Porvas mag

A porvas magok is lágymágneses ferromágneses anyagok. Különböző anyagokból készült vasporötvözetekből vagy csak vasporból készülnek. A képlet különböző részecskeméretű nem mágneses anyagokat tartalmaz, így a telítési görbe viszonylag kíméletes. A porvas mag többnyire toroid alakú. A 2. ábra a vaspor magot és annak keresztmetszeti nézetét mutatja.

A szokásos porított vasmagok közé tartozik a vas-nikkel-molibdén ötvözet (MPP), a sedust (Sendust), a vas-nikkel ötvözet (nagy fluxus) és a vaspor mag (vaspor). A különböző komponensek miatt jellemzői és árai is eltérőek, ami befolyásolja az induktorok kiválasztását. Az alábbiakban bemutatjuk a fent említett alaptípusokat, és összehasonlítjuk azok jellemzőit:

A. Vas-nikkel-molibdén ötvözet (MPP)

A Fe-Ni-Mo ötvözet rövidítése MPP, ami a molypermalloy por rövidítése. A relatív permeabilitás körülbelül 14-500, a telítési mágneses fluxussűrűség pedig körülbelül 7500 Gauss (Gauss), ami nagyobb, mint a ferrit telítési mágneses fluxussűrűsége (kb. 4000-5000 Gauss). Sokan ki. Az MPP a legkisebb vasveszteséggel rendelkezik, és a legjobb hőmérséklet-stabilitású a porvas magok között. Amikor a külső egyenáram eléri az ISAT telítési áramot, az induktivitás értéke lassan csökken, hirtelen csillapítás nélkül. Az MPP-nek jobb a teljesítménye, de magasabb a költsége, és általában teljesítmény-induktorként és EMI-szűrőként használják teljesítmény-átalakítókhoz.

B. Sendust

A vas-szilícium-alumínium ötvözetből készült vasmag vasból, szilíciumból és alumíniumból álló ötvözött vasmag, amelynek relatív mágneses permeabilitása körülbelül 26-125. A vasveszteség a vaspor mag és az MPP és a vas-nikkel ötvözet között van. . A telítési mágneses fluxus sűrűsége nagyobb, mint az MPP, körülbelül 10500 Gauss. A hőmérsékleti stabilitás és a telítési áram jellemzői valamivel rosszabbak, mint az MPP és a vas-nikkel ötvözet, de jobbak, mint a vaspor és a ferrit mag, és a relatív költség olcsóbb, mint az MPP és a vas-nikkel ötvözet. Leginkább EMI-szűrésben, teljesítménytényező-korrekciós (PFC) áramkörökben és kapcsolóteljesítmény-átalakítók teljesítményinduktoraiban használják.

C. Vas-nikkel ötvözet (nagy fluxus)

A vas-nikkel ötvözet mag vasból és nikkelből készül. A relatív mágneses permeabilitás körülbelül 14-200. A vasveszteség és a hőmérséklet-stabilitás az MPP és a vas-szilícium-alumínium ötvözet között van. A vas-nikkel ötvözetből készült mag rendelkezik a legnagyobb telítési mágneses fluxussűrűséggel, körülbelül 15 000 Gauss, és nagyobb egyenáramokat is képes ellenállni, és az egyenáramú előfeszítési jellemzői is jobbak. Alkalmazási terület: Aktív teljesítménytényező korrekció, energiatároló induktivitás, szűrő induktivitás, flyback konverter nagyfrekvenciás transzformátora, stb.

D. Vaspor

A vaspor mag nagy tisztaságú vaspor részecskékből áll, amelyekben nagyon kicsi részecskék vannak egymástól elszigetelve. A gyártási folyamat elosztott légrésszel rendelkezik. Az elterjedt vasporos magformák a gyűrűforma mellett E-típusú és bélyegző típussal is rendelkeznek. A vaspor magjának relatív mágneses permeabilitása körülbelül 10-75, a nagy telítettségű mágneses fluxussűrűség pedig körülbelül 15000 Gauss. A vaspormagok közül a vasporos mag rendelkezik a legnagyobb vasveszteséggel, de a legalacsonyabb költséggel.

A 3. ábra a TDK által gyártott PC47 mangán-cink ferrit és a MICROMETALS által gyártott -52 és -2 porított vasmagok BH görbéit mutatja; a mangán-cink ferrit relatív mágneses permeabilitása jóval nagyobb, mint a porított vasmagoké és telített A mágneses fluxus sűrűsége is nagyon eltérő, a ferrit körülbelül 5000 Gauss, a vaspor magé pedig több mint 10000 Gauss.

3

3. ábra Különböző anyagok mangán-cink ferrit és vaspor magjainak BH görbéje

Összefoglalva, a vasmag telítési jellemzői eltérőek; a telítési áram túllépése után a ferritmag mágneses permeabilitása meredeken csökken, míg a vaspor magja lassan csökkenhet. A 4. ábra egy azonos mágneses permeabilitású porvasmag és egy légrésű ferrit mágneses permeabilitási esési karakterisztikáját mutatja különböző mágneses térerősség mellett. Ez magyarázza a ferritmag induktivitását is, mert a mag telítettsége esetén az áteresztőképesség erősen lecsökken, amint az (1) egyenletből látható, ez az induktivitás meredek csökkenését is okozza; míg a pormag elosztott légrésű, a mágneses permeabilitás A vasmag telítésénél lassan csökken, így az induktivitás is finomabban csökken, vagyis jobb egyenáramú előfeszítési karakterisztikája van. Teljesítményátalakítók alkalmazásakor ez a jellemző nagyon fontos; ha az induktor lassú telítési karakterisztikája nem jó, akkor az induktor árama a telítési áramig emelkedik, és az induktivitás hirtelen csökkenése miatt a kapcsolókristály áramfeszültsége meredeken emelkedik, ami könnyen károsodást okoz.

4

4. ábra Légrésű porvasmag és ferritvas mag mágneses permeabilitási esési jellemzői különböző mágneses térerősség mellett.

Az induktor elektromos jellemzői és a csomagolás felépítése

A kapcsolóátalakító tervezésekor és az induktor kiválasztásakor az L induktivitás értéke, a Z impedancia, a váltakozó áramú ellenállás ACR és Q értéke (minőségi tényező), a névleges áramerősség az IDC és az ISAT, valamint a magveszteség (magveszteség) és más fontos elektromos jellemzők mindegyike kötelező. figyelembe kell venni. Ezenkívül az induktor csomagolási szerkezete befolyásolja a mágneses szivárgás nagyságát, ami viszont befolyásolja az EMI-t. A következőkben a fent említett jellemzőket külön tárgyaljuk, mint az induktorok kiválasztásának szempontját.

1. Induktivitás érték (L)

Az induktivitás értéke az áramkör tervezésének legfontosabb alapparamétere, de ellenőrizni kell, hogy az induktivitás értéke stabil-e az üzemi frekvencián. Az induktivitás névleges értékét általában 100 kHz-en vagy 1 MHz-en mérik külső DC előfeszítés nélkül. Az automatizált tömeggyártás lehetőségének biztosítása érdekében pedig az induktor tűrése általában ±20% (M) és ±30% (N). Az 5. ábra a Taiyo Yuden NR4018T220M induktor induktivitás-frekvencia jelleggörbéje Wayne Kerr LCR mérővel mérve. Amint az ábrán látható, az induktivitásérték görbe 5 MHz előtt viszonylag lapos, és az induktivitás értéke szinte állandónak tekinthető. A nagyfrekvenciás sávban a parazita kapacitás és induktivitás által generált rezonancia miatt az induktivitás értéke megnő. Ezt a rezonanciafrekvenciát önrezonancia frekvenciának (SRF) nevezik, amelynek általában jóval magasabbnak kell lennie, mint a működési frekvencia.

5

5. ábra, Taiyo Yuden NR4018T220M induktivitás-frekvencia jelleggörbe mérési diagramja

2. Impedancia (Z)

A 6. ábrán látható módon az impedancia diagram az induktivitás különböző frekvenciákon történő teljesítményéből is látható. Az induktor impedanciája hozzávetőlegesen arányos a frekvenciával (Z=2πfL), így minél nagyobb a frekvencia, a reaktancia sokkal nagyobb lesz, mint az AC ellenállás, így az impedancia tiszta induktivitásként viselkedik (a fázis 90˚). Magas frekvenciákon a parazita kapacitáshatás miatt az impedancia önrezonancia frekvenciapontja látható. Ezt követően az impedancia csökken és kapacitív lesz, és a fázis fokozatosan -90 ˚-ra változik.

6

3. Q érték és AC ellenállás (ACR)

Az induktivitás definíciójában a Q érték a reaktancia és az ellenállás aránya, vagyis az impedancia képzeletbeli részének és valós részéhez viszonyított aránya, a (2) képlet szerint.

(2)

Ahol XL az induktor reaktanciája, és RL az induktor AC ellenállása.

Az alacsony frekvencia tartományban az AC ellenállás nagyobb, mint az induktivitás okozta reaktancia, ezért Q értéke nagyon alacsony; a frekvencia növekedésével a reaktancia (kb. 2πfL) egyre nagyobb lesz, még akkor is, ha a bőrhatás (bőrhatás) és a közelség (proximity) hatás miatti ellenállás A hatás egyre nagyobb lesz, és a Q érték továbbra is nő a frekvenciával ; az SRF-hez közeledve az induktív reaktanciát a kapacitív reaktancia fokozatosan ellensúlyozza, és a Q érték fokozatosan csökken; amikor az SRF nullává válik, mert az induktív reaktancia és a kapacitív reaktancia teljesen azonos Eltűnnek. A 7. ábra a Q értéke és az NR4018T220M frekvenciája közötti összefüggést mutatja, és a kapcsolat fordított harang alakú.

7

7. ábra: Az NR4018T220M Taiyo Yuden induktor Q értéke és frekvenciája közötti kapcsolat

Az induktivitás alkalmazási frekvenciasávjában minél nagyobb a Q érték, annál jobb; ez azt jelenti, hogy a reaktanciája sokkal nagyobb, mint az AC ellenállás. Általánosságban elmondható, hogy a legjobb Q érték 40 felett van, ami azt jelenti, hogy az induktor minősége jó. Általában azonban a DC előfeszítés növekedésével az induktivitás értéke csökken, és a Q érték is csökken. Lapos zománcozott huzal vagy többszálú zománcozott huzal használata esetén a bőrhatás, vagyis az AC ellenállás csökkenthető, és az induktor Q értéke is növelhető.

A DCR egyenáramú ellenállást általában a rézhuzal egyenáramú ellenállásának tekintik, és az ellenállás a vezeték átmérője és hossza alapján számítható ki. A legtöbb kisáramú SMD induktor azonban ultrahangos hegesztést használ az SMD rézlemezének elkészítéséhez a tekercsterminálnál. Mivel azonban a rézhuzal nem hosszú, és az ellenállás értéke nem magas, a hegesztési ellenállás gyakran a teljes egyenáramú ellenállás jelentős részét teszi ki. A TDK CLF6045NIT-1R5N huzaltekercses SMD induktorát példaként véve a mért egyenáramú ellenállás 14,6 mΩ, a vezeték átmérője és hossza alapján számított egyenáramú ellenállás pedig 12,1 mΩ. Az eredmények azt mutatják, hogy ez a hegesztési ellenállás a teljes egyenáramú ellenállás körülbelül 17%-át teszi ki.

AC ellenállás Az ACR bőr- és közelségi hatást fejt ki, ami az ACR gyakoriságának növekedését okozza; az általános induktivitás alkalmazásakor, mivel az AC komponens jóval alacsonyabb, mint a DC komponens, az ACR által okozott hatás nem nyilvánvaló; de kis terhelésnél, Mivel a DC komponens csökken, az ACR okozta veszteség nem hagyható figyelmen kívül. A skin-effektus azt jelenti, hogy váltakozó áramú körülmények között a vezetéken belüli árameloszlás egyenetlen és a vezeték felületére koncentrálódik, aminek következtében csökken az egyenértékű vezeték keresztmetszete, ami viszont növeli a vezeték egyenértékű ellenállását. frekvencia. Ezenkívül a huzaltekercselésben a szomszédos vezetékek mágneses mezők hozzáadását és kivonását okozzák az áram hatására, így az áram a vezeték melletti felületre koncentrálódik (vagy a legtávolabbi felületre, az áram irányától függően ), ami egyenértékű vezetékelakadást is okoz. Az a jelenség, hogy a terület csökken és az ekvivalens ellenállás növekszik, az úgynevezett közelségi hatás; többrétegű tekercs induktivitás alkalmazásakor még szembetűnőbb a közelségi hatás.

8

A 8. ábra az NR4018T220M huzaltekercses SMD induktor váltakozó áramú ellenállása és frekvenciája közötti összefüggést mutatja. 1 kHz-es frekvencián az ellenállás körülbelül 360 mΩ; 100 kHz-en az ellenállás 775 mΩ-ra emelkedik; 10 MHz-en az ellenállás értéke közel 160 Ω. A rézveszteség becslésekor a számításnak figyelembe kell vennie a bőr és a közelségi hatások által okozott ACR-t, és módosítani kell a (3) képletre.

4. Telítettségi áram (ISAT)

Az ISAT telítési áram általában az az előfeszítő áram, amelyet akkor jeleznek, ha az induktivitás értéke csillapított, például 10%, 30% vagy 40%. A légrés ferrit esetében, mivel a telítési áram karakterisztikája nagyon gyors, nem sok különbség van 10% és 40% között. Lásd a 4. ábrát. Ha azonban vaspor magról van szó (például bélyegzett induktorról), a telítési görbe viszonylag enyhe, amint az a 9. ábrán látható, az induktivitás csillapításának 10%-ánál vagy 40%-ánál az előfeszítési áram sok eltérő, ezért a telítési áram értékét a kétféle vasmag esetében külön tárgyaljuk az alábbiak szerint.

Légrés ferrit esetén ésszerű az ISAT használata a maximális induktoráram felső határaként az áramköri alkalmazásoknál. Ha azonban vasporos magról van szó, akkor a lassú telítési karakterisztika miatt akkor sem lesz probléma, ha az alkalmazásáramkör maximális árama meghaladja az ISAT-t. Ezért ez a vasmag-karakterisztikája a legalkalmasabb kapcsolókonverter alkalmazásokhoz. Erős terhelés mellett az induktor induktivitás értéke alacsony, a 9. ábrán látható módon az áram hullámossági tényezője magas, de az áramkondenzátor áramtűrése magas, így nem lesz probléma. Kis terhelés mellett az induktivitás értéke nagyobb, ami segít csökkenteni az induktor hullámos áramát, ezáltal csökkenti a vasveszteséget. A 9. ábra összehasonlítja a TDK tekercselt SLF7055T1R5N ferrit telítési áramgörbéjét és az SPM6530T1R5M vaspormagos induktor telítési áramgörbéjét azonos névleges induktivitás mellett.

9

9. ábra Felcsévélt ferrit és nyomott vaspor mag telítési áramgörbéje azonos névleges induktivitás mellett

5. Névleges áram (IDC)

Az IDC érték a DC előfeszítés, amikor az induktor hőmérséklete Tr˚C-ra emelkedik. A specifikációk a DC ellenállás értékét is feltüntetik 20°C-on. A rézhuzal hőmérsékleti együtthatója szerint körülbelül 3930 ppm, amikor a Tr hőmérséklete emelkedik, ellenállása RDC_Tr = RDC (1+0,00393Tr), teljesítményfelvétele PCU = I2DCxRDC. Ez a rézveszteség az induktor felületén disszipálódik, és az induktor ΘTH hőellenállása kiszámítható:

(2)

A 2. táblázat a TDK VLS6045EX sorozat (6,0×6,0×4,5 mm) adatlapjára vonatkozik, és a hőellenállást 40˚C-os hőmérséklet-emelkedés esetén számítja ki. Nyilvánvalóan azonos sorozatú és méretű tekercseknél a számított hőellenállás közel azonos az azonos felületi hőleadási terület miatt; más szóval a különböző induktorok névleges áramának IDC-je megbecsülhető. A különböző sorozatok (csomagok) induktorok eltérő hőellenállással rendelkeznek. A 3. táblázat összehasonlítja a TDK VLS6045EX sorozatú (félig árnyékolt) és az SPM6530 sorozatú (öntött) induktorok hőellenállását. Minél nagyobb a hőellenállás, annál nagyobb a hőmérséklet-emelkedés, amikor az induktivitás áthalad a terhelési áramon; ellenkező esetben az alsó.

(2)

2. táblázat: VLS6045EX sorozatú induktorok hőellenállása 40˚C hőmérséklet-emelkedésnél

A 3. táblázatból látható, hogy ha az induktorok mérete hasonló, a bélyegzett induktorok hőellenállása kicsi, vagyis jobb a hőleadás.

(3)

3. táblázat Különböző tokozású induktorok hőellenállásának összehasonlítása.

6. Magvesztés

A vasveszteségnek nevezett magvesztést főként örvényáram-veszteség és hiszterézisveszteség okozza. Az örvényáram-veszteség nagysága elsősorban attól függ, hogy a maganyag könnyen „vezethető-e”; ha a vezetőképesség nagy, azaz az ellenállás kicsi, az örvényáram-veszteség nagy, ha pedig a ferrit fajlagos ellenállása nagy, akkor az örvényáram-veszteség viszonylag kicsi. Az örvényáram-veszteség a frekvenciával is összefügg. Minél nagyobb a frekvencia, annál nagyobb az örvényáram-veszteség. Ezért a mag anyaga határozza meg a mag megfelelő működési frekvenciáját. Általánosságban elmondható, hogy a vaspor mag működési frekvenciája elérheti az 1 MHz-et, a ferrit működési frekvenciája pedig elérheti a 10 MHz-et. Ha a működési frekvencia meghaladja ezt a frekvenciát, az örvényáram-veszteség gyorsan megnő, és a vasmag hőmérséklete is emelkedik. A vasmag-anyagok gyors fejlődésével azonban a magasabb működési frekvenciájú vasmagoknak a sarkon kell lenniük.

Egy másik vasveszteség a hiszterézisveszteség, amely arányos a hiszterézisgörbe által bezárt területtel, amely az áram AC komponensének lengési amplitúdójával függ össze; minél nagyobb az AC kilengés, annál nagyobb a hiszterézisveszteség.

Az induktor ekvivalens áramkörében gyakran az induktorral párhuzamosan kapcsolt ellenállást használnak a vasveszteség kifejezésére. Ha a frekvencia megegyezik az SRF-vel, az induktív reaktancia és a kapacitív reaktancia megszűnik, és az egyenértékű reaktancia nulla. Ekkor az induktor impedanciája megegyezik a tekercsellenállással sorba kapcsolt vasveszteség-ellenállással, és a vasveszteség-ellenállás sokkal nagyobb, mint a tekercsellenállás, így az SRF-nél az impedancia megközelítőleg megegyezik a vasveszteség-ellenállással. Példaként egy kisfeszültségű tekercset veszünk, annak vasveszteségi ellenállása körülbelül 20 kΩ. Ha az effektív feszültséget az induktor mindkét végén 5 V-ra becsüljük, akkor a vasvesztesége körülbelül 1,25 mW, ami azt is mutatja, hogy minél nagyobb a vasveszteség ellenállása, annál jobb.

7. Pajzsszerkezet

A ferrit induktorok csomagolási szerkezete nem árnyékolt, mágneses ragasztóval félig árnyékolt és árnyékolt, és mindegyikben jelentős légrés van. Nyilván a légrésnek lesz mágneses szivárgása, és legrosszabb esetben zavarja a környező kis jeláramköröket, vagy ha mágneses anyag van a közelben, annak induktivitása is megváltozik. Egy másik csomagolási struktúra egy sajtolt vaspor induktor. Mivel az induktor belsejében nincs rés, és a tekercsszerkezet szilárd, a mágneses tér disszipációjának problémája viszonylag kicsi. A 10. ábra az RTO 1004 oszcilloszkóp FFT funkciójának használata a szivárgó mágneses tér nagyságának mérésére 3 mm-rel a bélyegzett induktor felett és oldalán. A 4. táblázat a különböző tokozásszerkezetű induktorok szivárgási mágneses tereinek összehasonlítását tartalmazza. Látható, hogy a nem árnyékolt induktorok rendelkeznek a legkomolyabb mágneses szivárgással; a bélyegzett induktorok rendelkeznek a legkisebb mágneses szivárgással, ami a legjobb mágneses árnyékoló hatást mutatja. . E két szerkezet induktorainak szivárgási mágneses mezőjének nagyságrendje között mintegy 14 dB a különbség, ami közel 5-szöröse.

10

10. ábra: A szivárgó mágneses tér nagysága 3 mm-re a bélyegzett induktor felett és oldalán

(4)

4. táblázat Különböző tokozásszerkezetű induktorok szivárgási mágneses mezőjének összehasonlítása

8. csatolás

Egyes alkalmazásokban előfordul, hogy a NYÁK-on több DC átalakító készlet található, amelyek általában egymás mellett vannak elhelyezve, és a hozzájuk tartozó induktorok is egymás mellett vannak elhelyezve. Ha nem árnyékolt vagy félig árnyékolt típust használ mágneses ragasztóval, az induktorok összekapcsolhatók egymással, hogy EMI-interferenciát képezzenek. Ezért az induktor elhelyezésekor ajánlatos először az induktor polaritását megjelölni, és az induktor legbelső rétegének kiindulási és tekercselési pontját a konverter kapcsolási feszültségéhez kötni, például a buck konverter VSW-jéhez, amely a mozgó pont. A kimeneti terminál a kimeneti kondenzátorhoz csatlakozik, amely a statikus pont; a rézhuzal tekercs ezért bizonyos fokú elektromos térárnyékolást képez. A multiplexer huzalozásánál az induktivitás polaritásának rögzítése segít a kölcsönös induktivitás nagyságának rögzítésében és a váratlan EMI problémák elkerülésében.

Alkalmazások:

Az előző fejezet tárgyalta az induktor maganyagát, csomagolási felépítését és fontos elektromos jellemzőit. Ez a fejezet elmagyarázza, hogyan kell kiválasztani a buck konverter megfelelő induktivitási értékét, és milyen szempontokat kell figyelembe venni a kereskedelmi forgalomban kapható tekercs kiválasztásánál.

Amint az (5) egyenlet mutatja, az induktor értéke és az átalakító kapcsolási frekvenciája befolyásolja az induktor hullámos áramát (ΔiL). Az induktor hullámos árama átfolyik a kimeneti kondenzátoron, és befolyásolja a kimeneti kondenzátor hullámzó áramát. Ezért ez befolyásolja a kimeneti kondenzátor kiválasztását, és tovább befolyásolja a kimeneti feszültség hullámzási méretét. Továbbá az induktivitás értéke és a kimeneti kapacitás értéke a rendszer visszacsatolási kialakítását és a terhelés dinamikus válaszát is befolyásolja. A nagyobb induktivitásérték választása kisebb áramterhelést okoz a kondenzátoron, emellett előnyös a kimeneti feszültség hullámzásának csökkentése és több energia tárolására is alkalmas. A nagyobb induktivitás érték azonban nagyobb térfogatot, azaz magasabb költséget jelez. Ezért az átalakító tervezésénél nagyon fontos az induktivitás értékének tervezése.

(5)

Az (5) képletből látható, hogy ha nagyobb a rés a bemeneti feszültség és a kimeneti feszültség között, akkor nagyobb lesz az induktor hullámosságáram, ami az induktor kialakításának legrosszabb esete. Más induktív elemzéssel párosulva a lecsökkentő átalakító induktivitás tervezési pontját általában a maximális bemeneti feszültség és a teljes terhelés mellett kell kiválasztani.

Az induktivitás értékének megtervezésekor kompromisszumot kell kötni az induktor hullámosságáram és az induktor mérete között, és itt a (6) képlet szerint definiáljuk a hullámos áramtényezőt (ripple current factor; γ).

(6)

A (6) képletet az (5) képletre behelyettesítve az induktivitás értéke a (7) képlettel fejezhető ki.

(7)

A (7) képlet szerint, ha nagyobb a bemeneti és kimeneti feszültség különbsége, a γ értéke nagyobbra választható; ellenkezőleg, ha a bemeneti és a kimeneti feszültség közelebb van egymáshoz, a γ érték kialakításának kisebbnek kell lennie. Az induktor hullámáram és a méret közötti választáshoz a hagyományos tervezési tapasztalati érték szerint γ általában 0,2-0,5. A következőkben az RT7276-ot vesszük példaként az induktivitás számításának és a kereskedelemben kapható induktorok kiválasztásának szemléltetésére.

Tervezési példa: RT7276 továbbfejlesztett állandó bekapcsolási idő (Advanced Constant On-Time; ACOTTM) szinkron egyenirányítós leléptető átalakítóval, kapcsolási frekvenciája 700 kHz, bemeneti feszültsége 4,5-18 V, kimeneti feszültsége 1,05 V . A teljes terhelési áram 3A. Mint fentebb említettük, az induktivitás értékét a maximális 18 V bemeneti feszültség és 3 A teljes terhelés mellett kell megtervezni, γ értékét 0,35-nek vesszük, és a fenti értéket behelyettesítjük a (7) egyenletbe, az induktivitásba. érték az

Használjon 1,5 µH hagyományos névleges induktivitású induktort. Helyettesítse be az (5) képletet az induktivitás hullámosságáramának kiszámításához az alábbiak szerint.

Ezért az induktor csúcsárama az

Az induktoráram (IRMS) effektív értéke pedig az

Mivel az induktor hullámosság komponense kicsi, az induktoráram effektív értéke főként az egyenáramú összetevő, és ez az effektív érték szolgál alapul az induktor névleges áramának IDC kiválasztásához. A 80%-os leszorító (leértékelő) kialakításnál az induktivitás követelményei a következők:

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

Az 5. táblázat felsorolja a TDK különböző sorozataiból elérhető induktorokat, amelyek mérete hasonló, de csomagszerkezetük eltérő. A táblázatból látható, hogy a bélyegzett induktor (SPM6530T-1R5M) telítési árama és névleges árama nagy, a hőellenállás kicsi és a hőleadás jó. Emellett az előző fejezetben tárgyaltnak megfelelően a bélyegzett induktor maganyaga vaspor mag, így összehasonlítjuk a félig árnyékolt (VLS6045EX-1R5N) és az árnyékolt (SLF7055T-1R5N) induktorok ferrit magjával. mágneses ragasztóval. , Jó DC előfeszítési jellemzőkkel rendelkezik. A 11. ábra bemutatja az RT7276 fejlett állandó bekapcsolási idejű szinkron egyenirányító fokozatos konverterre alkalmazott különböző induktorok hatékonyságának összehasonlítását. Az eredmények azt mutatják, hogy a hatékonyság különbség a három között nem szignifikáns. Ha figyelembe veszi a hőelvezetést, a DC előfeszítési jellemzőket és a mágneses mező disszipációjával kapcsolatos problémákat, akkor SPM6530T-1R5M induktorok használata javasolt.

(5)

5. táblázat: Különböző TDK sorozatok induktivitásának összehasonlítása

11

11. ábra A konverter hatásfokának összehasonlítása különböző induktorokkal

Ha ugyanazt a csomagszerkezetet és induktivitásértéket választja, de kisebb méretű induktorokat, mint például az SPM4015T-1R5M (4,4×4,1×1,5 mm), bár mérete kicsi, de az egyenáramú ellenállása RDC (44,5 mΩ) és hőellenállása ΘTH ( 51˚C) /W) Nagyobb. Azonos specifikációjú konvertereknél az induktor által tolerált áram effektív értéke is azonos. Nyilvánvaló, hogy a DC ellenállás csökkenti a hatékonyságot nagy terhelés mellett. Ezenkívül a nagy hőellenállás gyenge hőelvezetést jelent. Ezért az induktor kiválasztásakor nem csak a csökkentett méret előnyeit kell figyelembe venni, hanem értékelni kell az ezzel járó hiányosságokat is.

Befejezésül

Az induktivitás a kapcsolóteljesítmény-átalakítók egyik leggyakrabban használt passzív összetevője, amely energiatárolásra és -szűrésre használható. Az áramkör tervezésénél azonban nem csak az induktivitás értékére kell figyelni, hanem más paraméterekre is, beleértve a váltakozó áramú ellenállást és a Q értéket, az áramtűrést, a vasmag telítettségét és a csomag szerkezetét stb. figyelembe kell venni az induktor kiválasztásakor. . Ezek a paraméterek általában a maganyaghoz, a gyártási folyamathoz, valamint a mérethez és a költségekhez kapcsolódnak. Ezért ez a cikk bemutatja a különböző vasmag-anyagok jellemzőit és azt, hogyan válasszuk ki a megfelelő induktivitást referenciaként a tápegység tervezésénél.