124

новини

Резюме

Індуктори є дуже важливими компонентами комутаційних перетворювачів, такими як накопичувачі енергії та фільтри живлення. Існує багато типів індукторів, наприклад, для різних застосувань (від низької частоти до високої частоти), або різних основних матеріалів, які впливають на характеристики індуктивності тощо. Індуктори, що використовуються в комутаційних перетворювачах, є високочастотними магнітними компонентами. Однак через різні фактори, такі як матеріали, умови експлуатації (такі як напруга та струм) та температура навколишнього середовища, представлені характеристики та теорії досить різні. Отже, в конструкції схеми, окрім основного параметра значення індуктивності, ще слід враховувати взаємозв’язок між імпедансом індуктивності та опором і частотою змінного струму, втратами сердечника та характеристиками струму насичення тощо. У цій статті буде представлено декілька важливих матеріалів для осердя індуктивності та їх характеристики, а також наведено інструкції енергетиків щодо вибору стандартних котушок індуктивності.

Передмова

Індуктор - це електромагнітна індукційна складова, яка утворюється шляхом намотування певної кількості котушок (котушки) на бобіну або сердечник ізольованим проводом. Ця котушка називається котушкою індуктивності або індуктором. Відповідно до принципу електромагнітної індукції, коли котушка і магнітне поле рухаються відносно один одного, або котушка генерує змінне магнітне поле через змінний струм, буде створюватися індукована напруга, яка протистоїть зміні вихідного магнітного поля, і ця характеристика стримування зміни струму називається індуктивністю.

Формула значення індуктивності має формулу (1), яка пропорційна магнітній проникності, квадрату обмоток N і еквівалентній площі перерізу магнітопроводу Ae, і обернено пропорційна еквівалентній довжині магнітопроводу le . Існує багато типів індуктивності, кожен з яких підходить для різних застосувань; індуктивність пов’язана з формою, розміром, способом намотування, кількістю витків та типом проміжного магнітного матеріалу.

图片1

(1)

Залежно від форми залізного сердечника, індуктивність включає тороїдальний, Е-сердечник і барабан; з точки зору матеріалу залізного сердечника, в основному є керамічне ядро ​​і два м'які магнітні типи. Вони являють собою ферит і металевий порошок. Залежно від структури або способу упаковки бувають дротяні, багатошарові та формовані, а дротова намотка має не екранований і половину магнітного клею Екранований (напівекранований) та екранований (екранований) тощо.

Індуктор діє як коротке замикання постійного струму і має високий опір змінного струму. Основне використання в схемах включає задушення, фільтрування, налаштування та накопичення енергії. У застосуванні комутаційного перетворювача індуктор є найважливішим компонентом накопичення енергії і утворює фільтр низьких частот з вихідним конденсатором для зменшення пульсацій вихідної напруги, тому він також відіграє важливу роль у функції фільтрації.

У цій статті будуть представлені різні сердечники котушок індуктивності та їх характеристики, а також деякі електричні характеристики котушок індуктивності, як важливий еталон оцінки для вибору котушок індуктивності під час проектування схеми. У прикладі програми, як розрахувати значення індуктивності та як вибрати комерційно доступний стандартний індуктор, буде представлено на практичних прикладах.

Тип матеріалу серцевини

Індуктори, що використовуються в комутаційних перетворювачах, є високочастотними магнітними компонентами. Матеріал серцевини в центрі найбільше впливає на характеристики індуктивності, такі як імпеданс і частота, значення та частота індуктивності або характеристики насичення жили. Далі буде представлено порівняння кількох поширених матеріалів із сердечником заліза та їх характеристик насичення як важливого еталону для вибору силових індукторів:

1. Керамічна серцевина

Керамічна серцевина є одним із поширених матеріалів індуктивності. В основному він використовується для забезпечення несучої конструкції, яка використовується при намотуванні котушки. Його також називають «індуктором повітряного сердечника». Оскільки використовується залізний сердечник - немагнітний матеріал з дуже низьким температурним коефіцієнтом, величина індуктивності дуже стабільна в діапазоні робочих температур. Однак через немагнітний матеріал як середовище індуктивність дуже низька, що не дуже підходить для застосування перетворювачів потужності.

2. Феритовий

Ферритовий сердечник, що використовується в загальних індукторах високої частоти, являє собою феритову сполуку, що містить цинк нікелю (NiZn) або цинк марганцю (MnZn), який є м'яким магнітним феромагнітним матеріалом з низькою коерцитивністю. На малюнку 1 показана крива гістерезису (петля ВН) загального магнітного сердечника. Примусова сила HC магнітного матеріалу також називається примусовою силою, що означає, що коли магнітний матеріал намагнічений до магнітного насичення, його намагніченість (намагніченість) зменшується до нуля необхідної напруженості магнітного поля в той час. Менша примусова сила означає меншу стійкість до розмагнічування, а також означає меншу втрату гістерезису.

Марганцево-цинкові та нікель-цинкові ферити мають відносно високу відносну проникність (мкр), приблизно 1500-15000 та 100-1000 відповідно. Їх висока магнітна проникність робить серцевину заліза вищою в певному обсязі. Індуктивність. Однак недоліком є ​​те, що його допустимий струм насичення є низьким, і як тільки залізний сердечник насититься, магнітна проникність різко впаде. Див. Малюнок 4 щодо тенденції зменшення магнітної проникності феритових і порошкових залізних сердечників, коли залізне ядро ​​насичене. Порівняння. При використанні в силових індукторах в основному магнітному контурі залишатиметься повітряний зазор, що може зменшити проникність, уникнути насичення та накопичити більше енергії; коли включений повітряний зазор, еквівалентна відносна проникність може становити приблизно 20- Між 200. Оскільки високий опір самого матеріалу може зменшити втрати, спричинені вихровим струмом, втрати менші при високих частотах, і це більше підходить для високочастотні трансформатори, індуктори фільтра ЕМІ та індуктори накопичення енергії перетворювачів потужності. Що стосується робочої частоти, нікель-цинковий ферит придатний для використання (> 1 МГц), тоді як марганцево-цинковий ферит підходить для нижчих частот (<2 МГц).

图片2         1

Рисунок 1. Крива гістерезису магнітного сердечника (BR: залишок; BSAT: густина магнітного потоку насичення)

3. Порошковий залізний стрижень

Порошкові залізні стрижні також є м'якомагнітними феромагнітними матеріалами. Вони виготовляються із сплавів порошку заліза з різних матеріалів або лише із порошку заліза. Формула містить немагнітні матеріали з різними розмірами частинок, тому крива насичення є відносно м’якою. Ядро порошкового заліза в основному тороїдальне. На малюнку 2 показано серцевина порошкового заліза та його поперечний розріз.

До загальних порошкових залізних сердечників належать залізо-нікель-молібденовий сплав (MPP), сендуст (Sendust), залізо-нікелевий сплав (високий потік) та серцевина порошку заліза (порошок заліза). Через різні компоненти його характеристики та ціни також різні, що впливає на вибір індукторів. Далі буде представлено вищезазначені типи ядер та порівняно їх характеристики:

А. Залізо-нікель-молібденовий сплав (MPP)

Сплав Fe-Ni-Mo скорочено називається MPP, що є абревіатурою порошку моліпермалою. Відносна проникність становить приблизно 14-500, а щільність магнітного потоку насичення становить близько 7500 Гауса (Гауса), що вище, ніж щільність магнітного потоку насичення фериту (близько 4000-5000 Гауса). Багато хто з них. MPP має найменші втрати заліза і має найкращу температурну стабільність серед порошкових залізних стрижнів. Коли зовнішній струм постійного струму досягає струму насичення ISAT, значення індуктивності повільно зменшується без різкого ослаблення. MPP має кращу продуктивність, але вищу вартість, і зазвичай використовується як індуктор потужності та фільтрація EMI для перетворювачів потужності.

 

Б. Сендуст

Залізний сердечник із залізо-кремній-алюмінієвого сплаву - це легований залізний сердечник, що складається із заліза, кремнію та алюмінію, з відносною магнітною проникністю приблизно від 26 до 125. Втрати заліза складають між ядром порошкового заліза та MPP та залізо-нікелевим сплавом . Щільність магнітного потоку насичення вища, ніж MPP, приблизно 10500 Гауса. Характеристики температурної стабільності та струму насичення дещо поступаються MPP та залізо-нікелевому сплаву, але краще, ніж серцевина порошку заліза та феритовий сердечник, а відносна вартість дешевша, ніж MPP та залізо-нікелевий сплав. Застосовується здебільшого у фільтрації ЕМІ, схемах корекції коефіцієнта потужності (PFC) та індукторах потужності імпульсних перетворювачів потужності.

 

C. Залізо-нікелевий сплав (високий потік)

Серцевина із залізо-нікелевого сплаву виготовлена ​​із заліза та нікелю. Відносна магнітна проникність становить близько 14-200. Втрати заліза та стабільність температури знаходяться між MPP та залізо-кремній-алюмінієвим сплавом. Серцевина із залізо-нікелевого сплаву має найвищу щільність магнітного потоку насичення, близько 15000 Гауса, і може витримувати вищі струми зміщення постійного струму, а характеристики зміщення постійного струму також кращі. Область застосування: Активна корекція коефіцієнта потужності, індуктивність накопичення енергії, індуктивність фільтра, високочастотний трансформатор зворотного перетворювача тощо.

 

D. Порошок заліза

Серцевина порошку заліза виготовлена ​​з частинок порошку заліза високої чистоти з дуже дрібними частинками, які ізольовані одна від одної. Процес виготовлення робить його розподіленим повітряним зазором. На додаток до форми кільця, звичайні форми серцевини із порошкового заліза також мають E-тип та штампувальні типи. Відносна магнітна проникність серцевини порошку заліза становить приблизно від 10 до 75, а щільність магнітного потоку з високим насиченням становить близько 15000 Гауса. Серед порошкових залізних сердечників ядро ​​порошкового заліза має найбільші втрати заліза, але найменшу вартість.

На малюнку 3 показані криві BH марганцево-цинкового фериту PC47 виробництва TDK та порошкових залізних сердечників -52 та -2 виробництва MICROMETALS; відносна магнітна проникність марганцево-цинкового фериту набагато вища, ніж у порошкових залізних сердечників, і вона насичена. Щільність магнітного потоку також дуже різна, ферит становить приблизно 5000 Гаусів, а серцевина порошкового заліза - більше 10000 Гаусів.

图片3   3

Рисунок 3. Крива BH марганцево-цинкового фериту та ядер порошку із заліза із різних матеріалів

 

Таким чином, характеристики насичення залізного ядра різні; як тільки струм насичення буде перевищений, магнітна проникність феритового сердечника різко впаде, тоді як серцевина порошку заліза може повільно зменшуватися. На малюнку 4 показані характеристики падіння магнітної проникності порошкового серцевини з однаковою магнітною проникністю та фериту з повітряним зазором при різній напруженості магнітного поля. Це також пояснює індуктивність феритового сердечника, оскільки проникність різко падає, коли серцевина насичена, як видно з рівняння (1), це також спричиняє різке падіння індуктивності; в той час як порошковий сердечник з розподіленим повітряним зазором, швидкість магнітної проникності повільно зменшується, коли залізний сердечник насичений, тому індуктивність зменшується більш м'яко, тобто він має кращі характеристики зміщення постійного струму. При застосуванні перетворювачів потужності ця характеристика дуже важлива; якщо характеристика повільної насиченості індуктора погана, струм індуктора піднімається до струму насичення, і раптове падіння індуктивності призведе до різкого зростання струму струму комутаційного кристала, що легко спричинити пошкодження.

图片3    4

Рисунок 4. Характеристики падіння магнітної проникності серцевини порошку із заліза та феритової серцевини із повітряним зазором під різною напруженістю магнітного поля

 

Електричні характеристики індуктора та структура упаковки

При проектуванні комутаційного перетворювача та виборі котушки індуктивності значення індуктивності L, імпеданс Z, опір змінного струму ACR та значення Q (коефіцієнт якості), номінальний струм IDC та ISAT, а також втрати сердечника (втрата сердечника) та інші важливі електричні характеристики повинні бути обов'язковими. бути врахованим. Крім того, структура упаковки індуктора впливатиме на величину магнітного витоку, що в свою чергу впливає на ЕМІ. Далі будуть розглянуті вищезазначені характеристики окремо як міркування щодо вибору котушок індуктивності.

1. Значення індуктивності (L)

Значення індуктивності індуктивності є найважливішим основним параметром у конструкції ланцюга, але його слід перевірити, чи стабільне значення індуктивності на робочій частоті. Номінальне значення індуктивності зазвичай вимірюється при 100 кГц або 1 МГц без зовнішнього зміщення постійного струму. А для забезпечення можливості масового автоматизованого виробництва допуск індуктора зазвичай становить ± 20% (М) і ± 30% (Н). На малюнку 5 наведено графік індуктивно-частотної характеристики індуктора Таййо Юдена NR4018T220M, виміряний за допомогою вимірювача LCR Вейна Керра. Як показано на малюнку, крива значення індуктивності є відносно рівною до 5 МГц, і значення індуктивності майже можна розглядати як константу. У смузі високих частот завдяки резонансу, що генерується паразитною ємністю та індуктивністю, значення індуктивності збільшиться. Цю резонансну частоту називають саморезонансною частотою (СРЧ), яка зазвичай повинна бути набагато вищою за робочу частоту.

图片5  5

Рисунок 5, Схема вимірювання індуктивно-частотної характеристики Taiyo Yuden NR4018T220M

 

2. Опір (Z)

Як показано на малюнку 6, діаграму імпедансу можна побачити також з характеристик індуктивності на різних частотах. Опір індуктивності приблизно пропорційний частоті (Z = 2πfL), тому чим вище частота, реактивний опір буде набагато більшим, ніж опір змінного струму, тому імпеданс поводиться як чиста індуктивність (фаза становить 90˚). На високих частотах через ефект паразитної ємності видно точку саморезонансної частоти імпедансу. Після цього імпеданс падає і стає ємнісним, і фаза поступово змінюється до -90 ˚.

图片6  6

3. Значення Q та опір змінного струму (ACR)

Значення Q у визначенні індуктивності - це відношення реактивного опору до опору, тобто відношення уявної частини до дійсної частини імпедансу, як у формулі (2).

图片7

(2)

Де XL - опір індуктивності, а RL - опір змінного струму індуктора.

У діапазоні низьких частот опір змінного струму більший, ніж реактивний опір, спричинений індуктивністю, тому його значення Q дуже низьке; із збільшенням частоти реактивний опір (близько 2πfL) стає все більшим і більшим, навіть якщо опір, обумовлений шкірним ефектом (шкірний ефект) та ефектом близькості (близькості), Ефект стає все більшим і більшим, а значення Q все ще зростає з частотою ; при наближенні до SRF індуктивний опір поступово компенсується ємнісним реактивним опором, і значення Q поступово стає меншим; коли SRF стає нульовим, оскільки індуктивний опір та ємнісний опір повністю однакові. Зникають. На рисунку 7 показано взаємозв'язок між значенням Q і частотою NR4018T220M, і це співвідношення має форму перевернутого дзвона.

图片8  7

Рисунок 7. Зв'язок між величиною Q та частотою індуктора Taiyo Yuden NR4018T220M

У смузі частот індуктивності додатка, чим вище значення Q, тим краще; це означає, що його опір набагато більший, ніж опір змінного струму. Взагалі кажучи, найкраще значення Q вище 40, це означає, що якість індуктора хороша. Однак, як правило, зі зміщенням зміщення постійного струму значення індуктивності зменшується, а значення Q також зменшується. Якщо використовується плоский емальований дріт або багатожильний емальований дріт, шкірний ефект, тобто опір змінного струму, може бути зменшений, а значення Q індуктора також може бути збільшено.

Опір постійного струму DCR зазвичай розглядають як опір постійного струму мідного дроту, і опір можна розрахувати відповідно до діаметра та довжини дроту. Однак більшість слабкострумових дроселів SMD будуть використовувати ультразвукове зварювання для виготовлення мідного листа SMD на обмотковому терміналі. Однак, оскільки мідний дріт не довгий за довжиною і значення опору не є високим, зварювальний опір часто становить значну частку загального опору постійного струму. Взявши за приклад дротяну індукцію SMD CLF6045NIT-1R5N TDK, виміряний опір постійного струму становить 14,6 Ом, а опір постійного струму, розрахований на основі діаметра та довжини дроту, становить 12,1 мОм. Результати показують, що цей опір зварюванню становить близько 17% загального опору постійного струму.

Опір змінного струму ACR має шкірний ефект та ефект близькості, що призведе до збільшення ACR із частотою; при застосуванні загальної індуктивності, оскільки компонент змінного струму набагато нижчий за компонент постійного струму, вплив, спричинений ACR, не є очевидним; але при невеликому навантаженні, оскільки компонент постійного струму зменшений, втрати, спричинені ACR, не можна ігнорувати. Ефект шкіри означає, що в умовах змінного струму розподіл струму всередині провідника нерівномірний і концентрується на поверхні дроту, що призводить до зменшення еквівалентної площі перерізу дроту, що, в свою чергу, збільшує еквівалентний опір дроту при частота. Крім того, в обмотці дроту сусідні дроти спричинять додавання та віднімання магнітних полів завдяки струму, завдяки чому струм концентрується на поверхні, що прилягає до дроту (або на самій віддаленій поверхні, залежно від напрямку струму ), що також спричиняє еквівалентне перехоплення дроту. Явище зменшення площі та збільшення еквівалентного опору - це так званий ефект близькості; при застосуванні індуктивності багатошарової обмотки ефект близькості є ще більш очевидним.

图片9  8

На рисунку 8 показано взаємозв'язок між опором змінного струму та частотою намотаного дротом індуктора SMD NR4018T220M. На частоті 1 кГц опір становить близько 360 мОм; на 100 кГц опір підвищується до 775 мОм; на частоті 10 МГц значення опору близько 160 Ом. Оцінюючи втрати міді, розрахунок повинен враховувати ACR, спричинений шкірою та ефектами близькості, та модифікувати його до формули (3).

4. Струм насичення (ISAT)

Струм насичення ISAT, як правило, є струмом зміщення, позначеним, коли значення індуктивності ослаблене, таке як 10%, 30% або 40%. Для фериту з повітряним зазором, оскільки його характеристика струму насичення дуже швидка, різниці між 10% і 40% не існує. Див. Малюнок 4. Однак, якщо це серцевина із залізного порошку (наприклад, штампований індуктор), крива насичення є відносно помірною, як показано на малюнку 9, струм зміщення при 10% або 40% загасання індуктивності набагато різні, тому значення струму насичення буде обговорюватися окремо для двох типів залізних сердечників наступним чином.

Для фериту з повітряним проміжком доцільно використовувати ISAT як верхню межу максимального струму індуктивності для схем. Однак якщо це серцевина із залізного порошку, через характеристику повільного насичення не виникне проблем, навіть якщо максимальний струм схеми застосування перевищує ISAT. Тому ця характеристика залізного сердечника є найбільш підходящою для перемикання перетворювачів. За великих навантажень, хоча значення індуктивності індуктивності є низьким, як показано на малюнку 9, коефіцієнт пульсації струму високий, але допуск струму струму конденсатора високий, тому це не буде проблемою. При невеликому навантаженні величина індуктивності індуктивності більша, що сприяє зменшенню струму пульсацій індуктора, зменшуючи тим самим втрати заліза. На рисунку 9 порівнюється крива струму насичення намотаного ферриту TDF SLF7055T1R5N та штампованого індуктора SPM6530T1R5M із порошковим сердечником із однаковим номінальним значенням індуктивності.

图片9   9

Рисунок 9. Крива струму насичення намотаного фериту та штампованого сердечника порошкового заліза при однаковому номіналі індуктивності

5. Номінальний струм (IDC)

Значення IDC є зміщенням постійного струму, коли температура індуктивності піднімається до Tr˚C. Технічні характеристики також вказують його значення опору постійного струму RDC при 20˚C. Відповідно до температурного коефіцієнта мідного дроту становить близько 3930 ppm, коли температура Tr підвищується, значення його опору становить RDC_Tr = RDC (1 + 0,00393Tr), а його енергоспоживання становить PCU = I2DCxRDC. Ці втрати міді розсіюються на поверхні індуктора, і тепловий опір ΘTH індуктора можна розрахувати:

图片13(2)

У таблиці 2 наведено технічний паспорт серії TDK VLS6045EX (6,0 × 6,0 × 4,5 мм) та розраховано тепловий опір при підвищенні температури 40˚C. Очевидно, що для індукторів однакової серії та розміру розрахований тепловий опір майже однаковий через однакову площу тепловіддачі поверхні; іншими словами, можна оцінити номінальний струм IDC різних індукторів. Різні серії (пакети) дроселів мають різну термостійкість. У таблиці 3 порівнюється тепловий опір дроселів серії TDK VLS6045EX (напівекранований) та серії SPM6530 (формований). Чим більше тепловий опір, тим вище підвищення температури, що генерується, коли індуктивність протікає через струм навантаження; в іншому випадку нижчий.

图片14  (2)

Таблиця 2. Термічний опір індукторів серії VLS6045EX при підвищенні температури 40˚C

З таблиці 3 видно, що навіть якщо розмір індукторів подібний, тепловий опір штампованих індукторів низький, тобто тепловіддача є кращою.

图片15  (3)

Таблиця 3. Порівняння теплового опору різних індуктивних пакетів.

 

6. Втрата серцевини

Втрата серцевини, яка називається втратою заліза, в основному спричинена вихровими струмами та втратами гістерезису. Величина втрат на вихровий струм головним чином залежить від того, чи легко проводити матеріал серцевини; якщо провідність висока, тобто питомий опір низький, втрати на вихровий струм великі, а якщо питомий опір фериту високі, вихрові струми відносно низькі. Втрати на вихровий струм також пов'язані з частотою. Чим вище частота, тим більші втрати на вихровий струм. Отже, матеріал сердечника визначатиме належну робочу частоту сердечника. Взагалі кажучи, робоча частота серцевини порошку заліза може досягати 1 МГц, а робоча частота фериту може досягати 10 МГц. Якщо робоча частота перевищує цю частоту, втрати на вихровий струм швидко зростатимуть, а температура серцевини заліза також зростатиме. Однак із швидким розвитком матеріалів із залізних сердечників залізні сердечники з вищими робочими частотами повинні бути не за горами.

Інша втрата заліза - втрата гістерезису, яка пропорційна площі, охопленій кривою гістерезису, яка пов’язана з амплітудою коливання змінного струму складової струму; чим більше коливання змінного струму, тим більша втрата гістерезису.

В еквівалентній схемі індуктивності для вираження втрат заліза часто використовується резистор, підключений паралельно індуктору. Коли частота дорівнює SRF, індуктивний опір та ємнісний опір відміняються, а еквівалентний опір дорівнює нулю. У цей час імпеданс індуктора еквівалентний стійкості до втрат заліза послідовно із опором обмотки, а опір втрат заліза набагато більший за опір обмотки, тому імпеданс на SRF приблизно дорівнює опору втрат заліза. Взявши за приклад низьковольтний індуктор, його опір втратам заліза становить близько 20 кОм. Якщо ефективна величина напруги на обох кінцях індуктора оцінюється як 5 В, його втрата заліза становить близько 1,25 мВт, що також показує, що чим більший опір втратам заліза, тим краще.

7. Будова щита

Структура упаковки ферритових індукторів включає неекрановані, напівзахищені магнітним клеєм та екрановані, і в обох з них є значний повітряний зазор. Очевидно, що повітряний зазор матиме магнітну витік, і в гіршому випадку він буде заважати оточуючим малим сигнальним ланцюгам, або якщо поблизу є магнітний матеріал, його індуктивність також буде змінена. Інша структура упаковки - штампований індуктор порошку заліза. Оскільки всередині індуктора немає зазору, а структура обмотки тверда, проблема розсіювання магнітного поля порівняно мала. Фіг.10 - використання функції БПФ осцилографа RTO 1004 для вимірювання величини магнітного поля витоку на 3 мм вище та збоку штампованого індуктора. У таблиці 4 наведено порівняння магнітного поля витоків різних індукторів структури упаковки. Видно, що неекрановані індуктори мають найсерйозніші магнітні витоки; штамповані індуктори мають найменший магнітний витік, демонструючи найкращий ефект магнітного екранування. . Різниця у величині магнітного поля витоку індукторів цих двох структур становить близько 14 дБ, що майже в 5 разів.

10图片16

Рисунок 10. Величина магнітного поля витоку, виміряна на 3 мм вище і збоку штампованого індуктора

图片17 (4)

Таблиця 4. Порівняння магнітного поля витоку різних індукторів структури упаковки

8. зчеплення

У деяких додатках іноді на друкованій платі є кілька наборів перетворювачів постійного струму, які зазвичай розташовані поруч, а відповідні індуктори також розташовані поруч. Якщо ви використовуєте неекранований або напівзахищений тип з магнітним клеєм, індуктори можуть поєднуватися між собою для утворення перешкод ЕМІ. Тому при розміщенні індуктивності рекомендується спочатку позначити полярність індуктивності та підключити точку запуску та обмотки самого внутрішнього шару індуктора до напруги перемикання перетворювача, наприклад VSW перетворювача, яка є рухомою точкою. Вихідна клема підключена до вихідного конденсатора, який є статичною точкою; тому обмотка мідного дроту утворює певний ступінь екранування електричного поля. У компонуванні проводів мультиплексора фіксація полярності індуктивності допомагає зафіксувати величину взаємної індуктивності та уникнути деяких несподіваних проблем з ЕМІ.

Програми:

У попередній главі було обговорено матеріал серцевини, структуру упаковки та важливі електричні характеристики дроселя. У цій главі буде розказано, як вибрати відповідне значення індуктивності перетворювача, а також міркування щодо вибору комерційно доступних індукторів.

Як показано в рівнянні (5), значення індуктивності та частота перемикання перетворювача впливатимуть на струм пульсації індуктора (ΔiL). Пульсаційний струм індуктора буде протікати через вихідний конденсатор і впливати на струм пульсації вихідного конденсатора. Отже, це вплине на вибір вихідного конденсатора і надалі вплине на розмір пульсацій вихідної напруги. Крім того, значення індуктивності та значення вихідної ємності також впливатимуть на конструкцію зворотного зв'язку системи та динамічну реакцію навантаження. Вибір більшого значення індуктивності зменшує струм напруги на конденсаторі, а також корисно зменшити пульсації вихідної напруги і може накопичувати більше енергії. Однак більша величина індуктивності вказує на більший обсяг, тобто більшу вартість. Тому при проектуванні перетворювача дуже важливим є проектування величини індуктивності.

图片18        (5)

З формули (5) видно, що коли зазор між вхідною напругою та вихідною напругою буде більшим, струм пульсації індуктора буде більшим, що є найгіршим станом конструкції індуктора. У поєднанні з індуктивним аналізом, проектну точку індуктивності понижуючого перетворювача зазвичай слід вибирати за умов максимальної вхідної напруги та повного навантаження.

При проектуванні значення індуктивності необхідно здійснити компроміс між струмом пульсацій індуктора та розміром індуктора, і тут визначено коефіцієнт пульсації (коефіцієнт струму пульсації; γ), як у формулі (6).

图片19(6)

Замінюючи формулу (6) у формулу (5), величина індуктивності може бути виражена як формула (7).

图片20  (7)

Відповідно до формули (7), коли різниця між вхідною та вихідною напругою більша, значення γ можна вибрати більшим; навпаки, якщо вхідна та вихідна напруга ближчі, конструкція значення γ повинна бути меншою. Для вибору між струмом пульсацій індуктора та розміром відповідно до традиційного значення конструктивного досвіду γ зазвичай становить від 0,2 до 0,5. Далі наведено RT7276 як приклад для ілюстрації розрахунку індуктивності та вибору комерційних індукторів.

Приклад конструкції: Розроблений з розширеним постійним режимом постійного часу (Advanced Constant On-Time; ACOTTM) RT7276, синхронним випрямляючим перетворювачем, частота перемикання якого становить 700 кГц, вхідна напруга 4,5 В до 18 В, а вихідна напруга 1,05 В . Струм повного навантаження становить 3А. Як зазначалося вище, значення індуктивності повинно бути розраховане за умов максимальної вхідної напруги 18В та повного навантаження 3А, значення γ приймається за 0,35, а вищевказане значення підставляється у рівняння (7), індуктивність значення є

图片21

 

Використовуйте індуктор із звичайним номінальним значенням індуктивності 1,5 мкГн. Підставте формулу (5) для розрахунку струму пульсацій індуктора наступним чином.

图片22

Отже, піковий струм індуктора становить

图片23

А ефективне значення струму індуктивності (IRMS) становить

图片24

Оскільки пульсаційна складова індуктора мала, ефективним значенням струму індуктивності є переважно його компонент постійного струму, і це ефективне значення використовується як основа для вибору IDC номінального струму індуктора. При 80% зменшувальній (зменшувальній) конструкції вимоги до індуктивності такі:

 

L = 1,5 мкГн (100 кГц), IDC = 3,77 А, ISAT = 4,34 А

 

У таблиці 5 перелічені доступні індуктори різних серій TDK, подібні за розміром, але різні за структурою упаковки. З таблиці видно, що струм насичення та номінальний струм штампованої котушки індуктивності (SPM6530T-1R5M) великі, а тепловий опір невеликий, а тепловіддача хороша. Крім того, згідно з обговоренням у попередній главі, основним матеріалом штампованого індуктора є серцевина з порошковим залізом, тому його порівнюють із феритовим сердечником напівзахищених (VLS6045EX-1R5N) та екранованих (SLF7055T-1R5N) індукторів за допомогою магнітного клею. , Має хороші характеристики зміщення постійного струму. На рисунку 11 показано порівняння ефективності різних котушок індуктивності, застосованих до вдосконаленого перетворювача пониженого постійного синхронного випрямлення RT7276. Результати показують, що різниця в ефективності між цими трьома не є суттєвою. Якщо ви розглядаєте питання розсіювання тепла, характеристики зміщення постійного струму та проблеми розсіювання магнітного поля, рекомендується використовувати індуктори SPM6530T-1R5M.

图片25(5)

Таблиця 5. Порівняння індуктивностей різних серій ТДК

图片26 11

Рисунок 11. Порівняння ефективності перетворювача з різними котушками індуктивності

Якщо ви вибрали однакову структуру упаковки та значення індуктивності, але індуктори менших розмірів, такі як SPM4015T-1R5M (4,4 × 4,1 × 1,5 мм), хоча його розмір невеликий, але опір постійного струму RDC (44,5 мОм) і тепловий опір ΘTH ( 51˚С) / Ш) Більший. Для перетворювачів з однаковими характеристиками ефективне значення струму, що допускається індуктором, також однакове. Очевидно, опір постійного струму зменшить ефективність при великому навантаженні. Крім того, великий тепловий опір означає погане відведення тепла. Тому, вибираючи індуктор, потрібно не тільки врахувати переваги зменшених розмірів, але й оцінити супутні йому недоліки.

 

На закінчення

Індуктивність - це один із часто використовуваних пасивних компонентів в імпульсних перетворювачах потужності, який може використовуватися для накопичення та фільтрації енергії. Однак у конструкції ланцюга потрібно звертати увагу не тільки на величину індуктивності, але й інші параметри, включаючи опір змінного струму та величину Q, толерантність до струму, насиченість серцевини заліза та структуру упаковки тощо, - це всі параметри, які необхідно враховуйте при виборі індуктивності. . Ці параметри зазвичай пов’язані з основним матеріалом, виробничим процесом, розмірами та вартістю. Тому ця стаття представляє характеристики різних матеріалів із серцевини заліза та способи вибору відповідної індуктивності як еталону для проектування джерела живлення.

 


Час публікації: Червень-15-2021