noticias

Resumo

Os indutores son compoñentes moi importantes nos conversores de conmutación, como o almacenamento de enerxía e os filtros de potencia. Hai moitos tipos de indutores, como para diferentes aplicacións (de baixa frecuencia a alta frecuencia), ou diferentes materiais de núcleo que afectan ás características do indutor, etc. Os indutores utilizados nos conversores de conmutación son compoñentes magnéticos de alta frecuencia. Non obstante, debido a diversos factores como os materiais, as condicións de funcionamento (como a tensión e a corrente) e a temperatura ambiente, as características e teorías presentadas son bastante diferentes. Polo tanto, no deseño do circuíto, ademais do parámetro básico do valor da inductancia, aínda debe considerarse a relación entre a impedancia do indutor e a resistencia e frecuencia de CA, a perda do núcleo e as características da corrente de saturación, etc. Este artigo presentará varios materiais de núcleo de indutor importantes e as súas características, e tamén guiará aos enxeñeiros de enerxía para escoller indutores estándar dispoñibles comercialmente.

Prefacio

O indutor é un compoñente de indución electromagnética, que se forma enrolando un determinado número de bobinas (bobina) nunha bobina ou núcleo cun fío illado. Esta bobina chámase bobina de inductancia ou Inductor. Segundo o principio de indución electromagnética, cando a bobina e o campo magnético se moven entre si, ou cando a bobina xera un campo magnético alterno a través dunha corrente alterna, xerarase unha tensión inducida para resistir o cambio do campo magnético orixinal. e esta característica de restrinxir o cambio de corrente chámase inductancia.

A fórmula do valor da inductancia é a fórmula (1), que é proporcional á permeabilidade magnética, ao cadrado das espiras do enrolamento N e á área da sección transversal do circuíto magnético equivalente Ae, e é inversamente proporcional á lonxitude do circuíto magnético equivalente le . Hai moitos tipos de inductancia, cada unha apta para diferentes aplicacións; a inductancia está relacionada coa forma, o tamaño, o método de enrolamento, o número de voltas e o tipo de material magnético intermedio.

(1)

Dependendo da forma do núcleo de ferro, a inductancia inclúe toroidal, núcleo E e tambor; en canto ao material do núcleo de ferro, hai principalmente un núcleo de cerámica e dous tipos magnéticos suaves. Son ferrita e po metálico. Dependendo da estrutura ou do método de envasado, hai fío enrolado, multicapa e moldeado, e o fío enrolado non ten apantallamento e a metade de cola magnética Blindada (semiblindada) e apantallada (blindada), etc.

O indutor actúa como un curtocircuíto en corrente continua, e presenta alta impedancia á corrente alterna. Os usos básicos nos circuítos inclúen asfixia, filtrado, axuste e almacenamento de enerxía. Na aplicación do conversor de conmutación, o indutor é o compoñente de almacenamento de enerxía máis importante e forma un filtro de paso baixo co capacitor de saída para reducir a ondulación da tensión de saída, polo que tamén xoga un papel importante na función de filtrado.

Este artigo presentará os distintos materiais básicos dos indutores e as súas características, así como algunhas das características eléctricas dos indutores, como unha importante referencia de avaliación para a selección de indutores durante o deseño de circuítos. No exemplo de aplicación, a través de exemplos prácticos, introducirase como calcular o valor da inductancia e como elixir un indutor estándar dispoñible comercialmente.

Tipo de material do núcleo

Os indutores utilizados nos conversores de conmutación son compoñentes magnéticos de alta frecuencia. O material do núcleo no centro afecta máis ás características do indutor, como a impedancia e a frecuencia, o valor e a frecuencia da inductancia ou as características de saturación do núcleo. A continuación presentarase a comparación de varios materiais de núcleo de ferro común e as súas características de saturación como referencia importante para seleccionar indutores de potencia:

1. Núcleo cerámico

O núcleo cerámico é un dos materiais de inductancia comúns. Utilízase principalmente para proporcionar a estrutura de apoio utilizada ao enrolar a bobina. Tamén se denomina "indutor do núcleo de aire". Debido a que o núcleo de ferro utilizado é un material non magnético cun coeficiente de temperatura moi baixo, o valor da inductancia é moi estable no rango de temperatura de funcionamento. Non obstante, debido ao material non magnético como medio, a inductancia é moi baixa, o que non é moi axeitado para a aplicación de conversores de potencia.

2. Ferrita

O núcleo de ferrita usado nos indutores xerais de alta frecuencia é un composto de ferrita que contén níquel cinc (NiZn) ou manganeso cinc (MnZn), que é un material ferromagnético magnético brando con baixa coercitividade. A figura 1 mostra a curva de histérese (bucle BH) dun núcleo magnético xeral. A forza coercitiva HC dun material magnético tamén se denomina forza coercitiva, o que significa que cando o material magnético foi magnetizado ata a saturación magnética, a súa magnetización (magnetización) redúcese a cero A intensidade do campo magnético necesario no momento. Menor coercitividad significa menor resistencia á desmagnetización e tamén significa menor perda de histérese.

As ferritas de manganeso-zinc e níquel-zinc teñen unha permeabilidade relativa (μr) relativamente alta, aproximadamente 1500-15000 e 100-1000, respectivamente. A súa alta permeabilidade magnética fai que o núcleo de ferro sexa máis alto nun determinado volume. A inductancia. Non obstante, a desvantaxe é que a súa corrente de saturación tolerable é baixa e, unha vez que o núcleo de ferro está saturado, a permeabilidade magnética caerá drasticamente. Consulte a Figura 4 para ver a tendencia decrecente da permeabilidade magnética dos núcleos de ferrita e po de ferro cando o núcleo de ferro está saturado. Comparación. Cando se usa en indutores de potencia, deixarase un espazo de aire no circuíto magnético principal, o que pode reducir a permeabilidade, evitar a saturación e almacenar máis enerxía; cando se inclúe o espazo de aire, a permeabilidade relativa equivalente pode ser duns 20- Entre 200. Dado que a alta resistividade do propio material pode reducir a perda causada pola corrente de Foucault, a perda é menor a altas frecuencias e é máis adecuado para transformadores de alta frecuencia, indutores de filtro EMI e indutores de almacenamento de enerxía dos conversores de potencia. En termos de frecuencia de operación, a ferrita de níquel-zinc é adecuada para o seu uso (>1 MHz), mentres que a ferrita de manganeso-zinc é adecuada para bandas de frecuencia máis baixas (<2 MHz).

1

Figura 1. A curva de histérese do núcleo magnético (BR: remanencia; BSAT: densidade de fluxo magnético de saturación)

3. Núcleo de ferro en po

Os núcleos de ferro en po tamén son materiais ferromagnéticos magnéticos brandos. Están feitos de aliaxes de po de ferro de diferentes materiais ou só de po de ferro. A fórmula contén materiais non magnéticos con diferentes tamaños de partículas, polo que a curva de saturación é relativamente suave. O núcleo de ferro en po é principalmente toroidal. A figura 2 mostra o núcleo de ferro en po e a súa vista en sección transversal.

Os núcleos de ferro en po comúns inclúen a aliaxe de ferro-níquel-molibdeno (MPP), o sendust (Sendust), a aliaxe de ferro-níquel (alto fluxo) e o núcleo de po de ferro (po de ferro). Debido aos diferentes compoñentes, as súas características e prezos tamén son diferentes, o que afecta á elección dos indutores. A continuación presentaranse os tipos básicos mencionados anteriormente e compararanse as súas características:

A. Aliaxe de ferro-níquel-molibdeno (MPP)

A aliaxe Fe-Ni-Mo abreviase como MPP, que é a abreviatura de po de molypermaloy. A permeabilidade relativa é de aproximadamente 14-500 e a densidade de fluxo magnético de saturación é de aproximadamente 7500 Gauss (Gauss), que é maior que a densidade de fluxo magnético de saturación da ferrita (uns 4000-5000 Gauss). Moitos fóra. MPP ten a menor perda de ferro e ten a mellor estabilidade de temperatura entre os núcleos de ferro en po. Cando a corrente continua externa alcanza a corrente de saturación ISAT, o valor da inductancia diminúe lentamente sen atenuación brusca. MPP ten un mellor rendemento pero un custo máis elevado, e adoita utilizarse como indutor de potencia e filtrado EMI para conversores de enerxía.

B. Sendust

O núcleo de ferro de aliaxe de ferro-silicio-aluminio é un núcleo de ferro de aliaxe composto por ferro, silicio e aluminio, cunha permeabilidade magnética relativa duns 26 a 125. A perda de ferro está entre o núcleo de po de ferro e o MPP e a aliaxe de ferro-níquel. . A densidade de fluxo magnético de saturación é maior que MPP, uns 10500 Gauss. A estabilidade da temperatura e as características da corrente de saturación son lixeiramente inferiores ao MPP e á aliaxe de ferro-níquel, pero mellor que o núcleo de po de ferro e o núcleo de ferrita, e o custo relativo é máis barato que o MPP e a aliaxe de ferro-níquel. Utilízase principalmente en filtrado EMI, circuítos de corrección do factor de potencia (PFC) e indutores de potencia de conversores de potencia de conmutación.

C. Aliaxe de ferro-níquel (alto fluxo)

O núcleo de aliaxe de ferro-níquel está feito de ferro e níquel. A permeabilidade magnética relativa é de aproximadamente 14-200. A perda de ferro e a estabilidade da temperatura están entre o MPP e a aliaxe ferro-silicio-aluminio. O núcleo de aliaxe de ferro e níquel ten a densidade de fluxo magnético de saturación máis alta, uns 15.000 Gauss, e pode soportar correntes de polarización DC máis altas, e as súas características de polarización DC tamén son mellores. Ámbito de aplicación: corrección do factor de potencia activa, inductancia de almacenamento de enerxía, inductancia de filtro, transformador de alta frecuencia do conversor flyback, etc.

D. Po de ferro

O núcleo de po de ferro está feito de partículas de po de ferro de alta pureza con partículas moi pequenas que están illadas entre si. O proceso de fabricación fai que teña un espazo de aire distribuído. Ademais da forma do anel, as formas comúns do núcleo de po de ferro tamén teñen tipos de estampación e tipo E. A permeabilidade magnética relativa do núcleo de po de ferro é de aproximadamente 10 a 75, e a alta densidade de fluxo magnético de saturación é de aproximadamente 15000 Gauss. Entre os núcleos de ferro en po, o núcleo de po de ferro ten a maior perda de ferro pero o menor custo.

A figura 3 mostra as curvas BH da ferrita de manganeso-zinc PC47 fabricada por TDK e os núcleos de ferro en po -52 e -2 fabricados por MICROMETALS; a permeabilidade magnética relativa da ferrita de manganeso-zinc é moito maior que a dos núcleos de ferro en po e está saturada. A densidade do fluxo magnético tamén é moi diferente, a ferrita é duns 5000 Gauss e o núcleo de po de ferro é de máis de 10000 Gauss.

3

Figura 3. Curva BH de núcleos de ferrita manganeso-zinc e po de ferro de diferentes materiais

En resumo, as características de saturación do núcleo de ferro son diferentes; unha vez que se supera a corrente de saturación, a permeabilidade magnética do núcleo de ferrita caerá bruscamente, mentres que o núcleo de po de ferro pode diminuír lentamente. A figura 4 mostra as características de caída de permeabilidade magnética dun núcleo de ferro en po coa mesma permeabilidade magnética e unha ferrita cun espazo de aire baixo diferentes intensidades de campo magnético. Isto tamén explica a inductancia do núcleo de ferrita, porque a permeabilidade cae bruscamente cando o núcleo está saturado, como se pode ver na ecuación (1), tamén fai que a inductancia caia bruscamente; mentres que o núcleo de po con espazo de aire distribuído, a permeabilidade magnética diminúe lentamente cando o núcleo de ferro está saturado, polo que a inductancia diminúe máis suavemente, é dicir, ten mellores características de polarización de CC. Na aplicación de conversores de potencia, esta característica é moi importante; se a característica de saturación lenta do indutor non é boa, a corrente do indutor aumenta ata a corrente de saturación e a caída repentina da inductancia fará que a tensión actual do cristal de conmutación aumente bruscamente, o que é fácil de causar danos.

4

Figura 4. Características de caída de permeabilidade magnética do núcleo de ferro en po e núcleo de ferro de ferrita con espazo de aire baixo diferente intensidade de campo magnético.

Características eléctricas do indutor e estrutura do paquete

Ao deseñar un conversor de conmutación e seleccionar un indutor, o valor de inductancia L, a impedancia Z, a resistencia de CA ACR e o valor Q (factor de calidade), a corrente nominal IDC e ISAT e a perda do núcleo (perda do núcleo) e outras características eléctricas importantes son todas obrigatorias. ser considerado. Ademais, a estrutura de embalaxe do indutor afectará á magnitude da fuga magnética, que á súa vez afecta a EMI. A continuación discutiranse as características anteriormente mencionadas por separado como consideracións para seleccionar indutores.

1. Valor de inductancia (L)

O valor da inductancia dun indutor é o parámetro básico máis importante no deseño do circuíto, pero hai que comprobar se o valor da inductancia é estable na frecuencia de funcionamento. O valor nominal da inductancia adoita medirse a 100 kHz ou 1 MHz sen polarización de CC externa. E para garantir a posibilidade de produción automatizada en masa, a tolerancia do indutor adoita ser ± 20% (M) e ± 30% (N). A figura 5 é o gráfico característico de inductancia-frecuencia do indutor Taiyo Yuden NR4018T220M medido co medidor LCR de Wayne Kerr. Como se mostra na figura, a curva de valor de inductancia é relativamente plana antes de 5 MHz, e o valor de inductancia case pode considerarse como unha constante. Na banda de alta frecuencia debido á resonancia xerada pola capacitancia e inductancia parasitarias, o valor da inductancia aumentará. Esta frecuencia de resonancia chámase frecuencia de autorresonancia (SRF), que normalmente ten que ser moito maior que a frecuencia de funcionamento.

5

Figura 5, Taiyo Yuden NR4018T220M diagrama de medición característica de inductancia-frecuencia

2. Impedancia (Z)

Como se mostra na Figura 6, o diagrama de impedancia tamén se pode ver a partir do rendemento da inductancia a diferentes frecuencias. A impedancia do indutor é aproximadamente proporcional á frecuencia (Z=2πfL), polo que canto maior sexa a frecuencia, a reactancia será moito maior que a resistencia de CA, polo que a impedancia compórtase como unha inductancia pura (a fase é de 90˚). A altas frecuencias, debido ao efecto de capacitancia parasitaria, pódese ver o punto de frecuencia de auto-resonancia da impedancia. Despois deste punto, a impedancia cae e faise capacitiva, e a fase cambia gradualmente a -90 ˚.

6

3. Valor Q e resistencia AC (ACR)

O valor Q na definición de inductancia é a relación entre a reactancia e a resistencia, é dicir, a relación entre a parte imaxinaria e a parte real da impedancia, como na fórmula (2).

(2)

Onde XL é a reactancia do indutor e RL é a resistencia AC do indutor.

No rango de baixa frecuencia, a resistencia de CA é maior que a reactancia causada pola inductancia, polo que o seu valor Q é moi baixo; a medida que aumenta a frecuencia, a reactancia (uns 2πfL) faise cada vez máis grande, aínda que a resistencia debido ao efecto pel (efecto pel) e ao efecto de proximidade (proximidade)) O efecto faise cada vez máis grande e o valor Q aínda aumenta coa frecuencia. ; cando se achega a SRF, a reactancia indutiva é compensada gradualmente pola reactancia capacitiva, e o valor Q vaise reducindo gradualmente; cando o SRF pasa a ser cero, porque a reactancia indutiva e a reactancia capacitiva son completamente iguais. A figura 7 mostra a relación entre o valor Q e a frecuencia de NR4018T220M, e a relación ten a forma dunha campá invertida.

7

Figura 7. A relación entre o valor Q e a frecuencia do indutor Taiyo Yuden NR4018T220M

Na banda de frecuencia de aplicación de inductancia, canto maior sexa o valor Q, mellor; significa que a súa reactancia é moito maior que a resistencia de CA. En xeral, o mellor valor Q é superior a 40, o que significa que a calidade do indutor é boa. Non obstante, xeralmente a medida que aumenta a polarización de CC, o valor da inductancia diminuirá e o valor Q tamén diminuirá. Se se usa un fío esmaltado plano ou un fío esmaltado multifilamento, pódese reducir o efecto pel, é dicir, a resistencia de CA, e tamén se pode aumentar o valor Q do indutor.

A resistencia DC DCR considérase xeralmente como a resistencia DC do fío de cobre, e a resistencia pódese calcular segundo o diámetro e a lonxitude do fío. Non obstante, a maioría dos indutores SMD de baixa corrente utilizarán soldadura ultrasónica para facer a folla de cobre do SMD no terminal de enrolamento. Non obstante, debido a que o fío de cobre non é longo e o valor da resistencia non é alto, a resistencia de soldadura adoita representar unha proporción considerable da resistencia total de CC. Tomando como exemplo o indutor SMD de fíos enrolados de TDK CLF6045NIT-1R5N, a resistencia de CC medida é de 14,6 mΩ e a resistencia de CC calculada en función do diámetro e lonxitude do fío é de 12,1 mΩ. Os resultados mostran que esta resistencia de soldadura representa preto do 17% da resistencia total de CC.

A resistencia AC ACR ten efecto de pel e efecto de proximidade, o que fará que ACR aumente coa frecuencia; na aplicación da inductancia xeral, porque o compoñente de CA é moito menor que o compoñente de CC, a influencia causada por ACR non é obvia; pero con carga lixeira, debido a que o compoñente DC é reducido, non se pode ignorar a perda causada por ACR. O efecto pel significa que en condicións de corrente alterna, a distribución de corrente no interior do condutor é irregular e concentrada na superficie do fío, o que resulta nunha redución da área de sección transversal do fío equivalente, o que á súa vez aumenta a resistencia equivalente do fío con frecuencia. Ademais, nun enrolamento de fío, os cables adxacentes provocarán a suma e a subtracción de campos magnéticos debido á corrente, polo que a corrente se concentra na superficie adxacente ao fío (ou na superficie máis afastada, dependendo da dirección da corrente). ), que tamén provoca unha interceptación de cable equivalente. O fenómeno de que a área diminúe e a resistencia equivalente aumenta é o chamado efecto de proximidade; na aplicación de inductancia dun enrolamento multicapa, o efecto de proximidade é aínda máis evidente.

8

A figura 8 mostra a relación entre a resistencia de CA e a frecuencia do indutor SMD NR4018T220M enrolado con fío. A unha frecuencia de 1 kHz, a resistencia é duns 360 mΩ; a 100 kHz, a resistencia sobe a 775 mΩ; a 10MHz, o valor de resistencia é próximo a 160Ω. Ao estimar a perda de cobre, o cálculo debe considerar o ACR causado polos efectos de pel e proximidade, e modificalo á fórmula (3).

4. Corrente de saturación (ISAT)

A corrente de saturación ISAT é xeralmente a corrente de polarización marcada cando o valor de inductancia é atenuado como 10%, 30% ou 40%. Para a ferrita de entrehierro, debido a que a súa característica de corrente de saturación é moi rápida, non hai moita diferenza entre o 10% e o 40%. Consulte a Figura 4. Non obstante, se se trata dun núcleo de po de ferro (como un indutor estampado), a curva de saturación é relativamente suave, como se mostra na Figura 9, a corrente de polarización no 10% ou 40% da atenuación da inductancia é moito. diferente, polo que o valor da corrente de saturación analizarase por separado para os dous tipos de núcleos de ferro como segue.

Para unha ferrita de aire, é razoable usar ISAT como límite superior da corrente máxima do indutor para aplicacións de circuítos. Non obstante, se se trata dun núcleo de po de ferro, debido á característica de saturación lenta, non haberá ningún problema aínda que a corrente máxima do circuíto de aplicación supere a ISAT. Polo tanto, esta característica do núcleo de ferro é a máis axeitada para cambiar aplicacións de conversor. Baixo unha carga pesada, aínda que o valor de inductancia do indutor é baixo, como se mostra na Figura 9, o factor de ondulación actual é alto, pero a tolerancia actual do capacitor é alta, polo que non será un problema. Baixo carga lixeira, o valor de inductancia do indutor é maior, o que axuda a reducir a corrente de ondulación do indutor, reducindo así a perda de ferro. A figura 9 compara a curva de corrente de saturación da ferrita SLF7055T1R5N de TDK e o indutor de núcleo de po de ferro estampado SPM6530T1R5M baixo o mesmo valor nominal de inductancia.

9

Figura 9. Curva de corrente de saturación de ferrita enrollada e núcleo de po de ferro estampado baixo o mesmo valor nominal de inductancia

5. Corrente nominal (IDC)

O valor IDC é a polarización de CC cando a temperatura do indutor sobe a Tr˚C. As especificacións tamén indican o seu valor de resistencia DC RDC a 20˚C. Segundo o coeficiente de temperatura do fío de cobre é de aproximadamente 3.930 ppm, cando a temperatura de Tr aumenta, o seu valor de resistencia é RDC_Tr = RDC (1+0,00393Tr) e o seu consumo de enerxía é PCU = I2DCxRDC. Esta perda de cobre é disipada na superficie do indutor, e a resistencia térmica ΘTH do indutor pódese calcular:

(2)

A táboa 2 fai referencia á folla de datos da serie TDK VLS6045EX (6,0×6,0×4,5 mm) e calcula a resistencia térmica a un aumento de temperatura de 40˚C. Obviamente, para indutores da mesma serie e tamaño, a resistencia térmica calculada é case a mesma debido á mesma área de disipación de calor superficial; noutras palabras, pódese estimar a IDC de corrente nominal de diferentes indutores. Diferentes series (paquetes) de indutores teñen diferentes resistencias térmicas. A Táboa 3 compara a resistencia térmica dos indutores das series TDK VLS6045EX (semiblindadas) e SPM6530 (moldeadas). Canto maior sexa a resistencia térmica, maior será o aumento de temperatura xerado cando a inductancia flúe pola corrente de carga; se non, o máis baixo.

(2)

Táboa 2. Resistencia térmica dos indutores da serie VLS6045EX a un aumento de temperatura de 40˚C

Na táboa 3 pódese ver que aínda que o tamaño dos indutores sexa similar, a resistencia térmica dos indutores estampados é baixa, é dicir, a disipación de calor é mellor.

(3)

Táboa 3. Comparación da resistencia térmica de diferentes indutores de paquete.

6. Perda do núcleo

A perda do núcleo, denominada perda de ferro, é causada principalmente pola perda de correntes parásitas e por histérese. O tamaño da perda de corrente de Foucault depende principalmente de se o material do núcleo é fácil de "conducir"; se a condutividade é alta, é dicir, a resistividade é baixa, a perda de corrente de Foucault é alta, e se a resistividade da ferrita é alta, a perda de corrente de Foucault é relativamente baixa. A perda de correntes de Foucault tamén está relacionada coa frecuencia. Canto maior sexa a frecuencia, maior será a perda de correntes de Foucault. Polo tanto, o material do núcleo determinará a frecuencia de funcionamento adecuada do núcleo. En xeral, a frecuencia de traballo do núcleo de po de ferro pode chegar a 1 MHz, e a frecuencia de traballo da ferrita pode chegar a 10 MHz. Se a frecuencia de funcionamento supera esta frecuencia, a perda de corrente de Foucault aumentará rapidamente e a temperatura do núcleo de ferro tamén aumentará. Non obstante, co rápido desenvolvemento dos materiais do núcleo de ferro, os núcleos de ferro con frecuencias de operación máis altas deberían estar á volta da esquina.

Outra perda de ferro é a perda de histérese, que é proporcional á área encerrada pola curva de histérese, que está relacionada coa amplitude de balance da compoñente AC da corrente; canto maior sexa a variación de CA, maior será a perda de histérese.

No circuíto equivalente dun indutor, a miúdo úsase unha resistencia conectada en paralelo co indutor para expresar a perda de ferro. Cando a frecuencia é igual á SRF, a reactancia indutiva e capacitiva anularanse e a reactancia equivalente é cero. Neste momento, a impedancia do indutor é equivalente á resistencia á perda de ferro en serie coa resistencia do enrolamento, e a resistencia á perda de ferro é moito maior que a resistencia do enrolamento, polo que a impedancia en SRF é aproximadamente igual á resistencia á perda de ferro. Tomando como exemplo un indutor de baixa tensión, a súa resistencia á perda de ferro é duns 20 kΩ. Se se estima que a tensión de valor efectivo nos dous extremos do indutor é de 5 V, a súa perda de ferro é duns 1,25 mW, o que tamén mostra que canto maior sexa a resistencia á perda de ferro, mellor.

7. Estrutura do escudo

A estrutura de embalaxe dos indutores de ferrita inclúe non apantallados, semiblindados con cola magnética e apantallados, e hai un espazo de aire considerable en calquera deles. Obviamente, o espazo de aire terá fugas magnéticas e, no peor dos casos, interferirá cos pequenos circuítos de sinal circundantes ou, se hai un material magnético preto, tamén se cambiará a súa inductancia. Outra estrutura de embalaxe é un inductor de po de ferro estampado. Dado que non hai oco no interior do indutor e a estrutura do enrolamento é sólida, o problema da disipación do campo magnético é relativamente pequeno. A Figura 10 é o uso da función FFT do osciloscopio RTO 1004 para medir a magnitude do campo magnético de fuga a 3 mm por riba e ao lado do indutor estampado. A táboa 4 enumera a comparación do campo magnético de fuga de diferentes indutores de estrutura de paquete. Pódese ver que os indutores non apantallados teñen a fuga magnética máis grave; os indutores estampados teñen a menor fuga magnética, mostrando o mellor efecto de blindaxe magnética. . A diferenza na magnitude do campo magnético de fuga dos indutores destas dúas estruturas é duns 14 dB, o que é case 5 veces.

10

Figura 10. A magnitude do campo magnético de fuga medida a 3 mm por riba e ao lado do indutor estampado

(4)

Táboa 4. Comparación do campo magnético de fuga de diferentes indutores de estrutura de paquete

8. acoplamento

Nalgunhas aplicacións, ás veces hai varios conxuntos de conversores de CC na PCB, que adoitan estar dispostos un ao carón do outro, e os seus indutores correspondentes tamén están dispostos un ao carón do outro. Se usa un tipo non apantallado ou semiprotexido con cola magnética, os indutores poden acoplarse entre si para formar interferencias EMI. Polo tanto, ao colocar o indutor, recoméndase marcar primeiro a polaridade do indutor e conectar o punto de inicio e enrolamento da capa máis interna do indutor á tensión de conmutación do conversor, como o VSW dun conversor buck. que é o punto de movemento. O terminal de saída está conectado ao capacitor de saída, que é o punto estático; o enrolamento do fío de cobre forma polo tanto un certo grao de apantallamento do campo eléctrico. Na disposición do cableado do multiplexor, fixar a polaridade da inductancia axuda a corrixir a magnitude da inductancia mutua e evitar algúns problemas de EMI inesperados.

Aplicacións:

O capítulo anterior discutiu o material do núcleo, a estrutura do paquete e as características eléctricas importantes do indutor. Neste capítulo explicarase como elixir o valor de inductancia adecuado do conversor buck e as consideracións para escoller un indutor dispoñible comercialmente.

Como se mostra na ecuación (5), o valor do indutor e a frecuencia de conmutación do conversor afectarán á corrente de ondulación do indutor (ΔiL). A corrente de ondulación do indutor atravesará o capacitor de saída e afectará á corrente de ondulación do capacitor de saída. Polo tanto, afectará a selección do capacitor de saída e afectará aínda máis o tamaño da ondulación da tensión de saída. Ademais, o valor da inductancia e o valor da capacidade de saída tamén afectarán ao deseño de retroalimentación do sistema e á resposta dinámica da carga. Escoller un valor de inductancia maior ten menos tensión de corrente no capacitor e tamén é beneficioso para reducir a ondulación da tensión de saída e pode almacenar máis enerxía. Non obstante, un valor de inductancia maior indica un volume maior, é dicir, un custo maior. Polo tanto, ao deseñar o conversor, o deseño do valor da inductancia é moi importante.

(5)

A partir da fórmula (5) pódese ver que cando a diferenza entre a tensión de entrada e a de saída é maior, a corrente de ondulación do indutor será maior, que é a peor condición do deseño do indutor. Xunto con outras análises indutivas, o punto de deseño de inductancia do conversor reductor normalmente debe seleccionarse nas condicións de tensión de entrada máxima e carga completa.

Ao deseñar o valor da inductancia, é necesario facer unha compensación entre a corrente de ondulación do indutor e o tamaño do indutor, e aquí defínese o factor de corrente de ondulación (factor de corrente de ondulación; γ), como na fórmula (6).

(6)

Substituíndo a fórmula (6) na fórmula (5), o valor da inductancia pódese expresar como fórmula (7).

(7)

Segundo a fórmula (7), cando a diferenza entre a tensión de entrada e saída é maior, o valor γ pódese seleccionar maior; pola contra, se a tensión de entrada e saída están máis próximas, o deseño do valor γ debe ser menor. Para escoller entre a corrente de ondulación do indutor e o tamaño, segundo o valor da experiencia de deseño tradicional, γ adoita ser de 0,2 a 0,5. O seguinte está tomando RT7276 como exemplo para ilustrar o cálculo da inductancia e a selección de indutores dispoñibles comercialmente.

Exemplo de deseño: deseñado co conversor reductor de rectificación síncrona RT7276 de tempo constante (Advanced Constant On-Time; ACOTTM), a súa frecuencia de conmutación é de 700 kHz, a tensión de entrada é de 4,5 V a 18 V e a tensión de saída é de 1,05 V. . A corrente de carga completa é de 3 A. Como se mencionou anteriormente, o valor da inductancia debe deseñarse nas condicións de tensión de entrada máxima de 18 V e carga completa de 3 A, o valor de γ tómase como 0,35 e o valor anterior substitúese na ecuación (7), a inductancia. valor é

Use un indutor cun valor de inductancia nominal convencional de 1,5 µH. Substitúe a fórmula (5) para calcular a corrente de ondulación do indutor do seguinte xeito.

Polo tanto, a corrente de pico do indutor é

E o valor efectivo da corrente do indutor (IRMS) é

Debido a que o compoñente de ondulación do indutor é pequeno, o valor efectivo da corrente do indutor é principalmente o seu compoñente DC, e este valor efectivo úsase como base para seleccionar a IDC de corrente nominal do indutor. Cun deseño de desclasificación do 80 %, os requisitos de inductancia son:

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

A Táboa 5 enumera os indutores dispoñibles de diferentes series de TDK, de tamaño similar pero diferentes na estrutura do paquete. Na táboa pódese ver que a corrente de saturación e a corrente nominal do indutor estampado (SPM6530T-1R5M) son grandes e a resistencia térmica é pequena e a disipación de calor é boa. Ademais, segundo a discusión no capítulo anterior, o material do núcleo do indutor estampado é o núcleo de po de ferro, polo que se compara co núcleo de ferrita dos indutores semi-blindados (VLS6045EX-1R5N) e blindados (SLF7055T-1R5N). con cola magnética. , Ten boas características de polarización de CC. A figura 11 mostra a comparación de eficiencia de diferentes indutores aplicados ao conversor reductor de rectificación síncrona avanzada e constante a tempo RT7276. Os resultados mostran que a diferenza de eficiencia entre os tres non é significativa. Se ten en conta a disipación de calor, as características de polarización de CC e os problemas de disipación do campo magnético, recoméndase utilizar indutores SPM6530T-1R5M.

(5)

Táboa 5. Comparación de inductancias de diferentes series de TDK

11

Figura 11. Comparación da eficiencia do convertidor con diferentes indutores

Se escolle a mesma estrutura de paquete e valor de inductancia, pero indutores de menor tamaño, como SPM4015T-1R5M (4,4 × 4,1 × 1,5 mm), aínda que o seu tamaño é pequeno, a resistencia DC RDC (44,5 mΩ) e a resistencia térmica ΘTH ( 51˚C) /W) Maior. Para conversores das mesmas especificacións, o valor efectivo da corrente tolerada polo indutor tamén é o mesmo. Obviamente, a resistencia DC reducirá a eficiencia baixo carga pesada. Ademais, unha gran resistencia térmica significa unha mala disipación da calor. Polo tanto, ao elixir un indutor, non só é necesario considerar os beneficios do tamaño reducido, senón tamén avaliar as súas deficiencias.

En conclusión

A inductancia é un dos compoñentes pasivos de uso común nos conversores de potencia de conmutación, que se pode usar para almacenar e filtrar enerxía. Non obstante, no deseño do circuíto, non só hai que prestar atención ao valor da inductancia, senón que outros parámetros, incluíndo a resistencia de CA e o valor Q, a tolerancia de corrente, a saturación do núcleo de ferro e a estrutura do paquete, etc., son todos os parámetros que deben terase en conta á hora de escoller un indutor. . Estes parámetros adoitan estar relacionados co material do núcleo, o proceso de fabricación e o tamaño e o custo. Polo tanto, este artigo presenta as características dos diferentes materiais do núcleo de ferro e como elixir unha inductancia adecuada como referencia para o deseño da fonte de alimentación.