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Sommario

Gli induttori sono componenti molto importanti nei convertitori a commutazione, come l'accumulo di energia e i filtri di alimentazione. Esistono molti tipi di induttori, ad esempio per diverse applicazioni (dalla bassa frequenza all'alta frequenza), o diversi materiali del nucleo che influenzano le caratteristiche dell'induttore e così via. Gli induttori utilizzati nei convertitori di commutazione sono componenti magnetici ad alta frequenza. Tuttavia, a causa di vari fattori come materiali, condizioni operative (come tensione e corrente) e temperatura ambiente, le caratteristiche e le teorie presentate sono piuttosto diverse. Pertanto, nella progettazione del circuito, oltre al parametro di base del valore dell'induttanza, deve ancora essere considerata la relazione tra l'impedenza dell'induttore e la resistenza e frequenza AC, la perdita del nucleo e le caratteristiche della corrente di saturazione, ecc. Questo articolo introdurrà diversi importanti materiali del nucleo dell'induttore e le loro caratteristiche e guiderà anche gli ingegneri della potenza nella scelta degli induttori standard disponibili in commercio.

Prefazione

L'induttore è un componente di induzione elettromagnetica, che si forma avvolgendo un certo numero di bobine (bobina) su una bobina o un nucleo con un filo isolato. Questa bobina è chiamata bobina di induttanza o induttore. Secondo il principio dell'induzione elettromagnetica, quando la bobina e il campo magnetico si muovono l'uno rispetto all'altro, o la bobina genera un campo magnetico alternato attraverso una corrente alternata, verrà generata una tensione indotta per resistere al cambiamento del campo magnetico originale, e questa caratteristica di limitare il cambiamento di corrente è chiamata induttanza.

La formula del valore dell'induttanza è come la formula (1), che è proporzionale alla permeabilità magnetica, al quadrato delle spire N e all'area della sezione trasversale del circuito magnetico equivalente Ae, ed è inversamente proporzionale alla lunghezza le del circuito magnetico equivalente . Esistono molti tipi di induttanza, ciascuno adatto a diverse applicazioni; l'induttanza è correlata alla forma, alle dimensioni, al metodo di avvolgimento, al numero di spire e al tipo di materiale magnetico intermedio.

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A seconda della forma del nucleo di ferro, l'induttanza include toroidale, nucleo E e tamburo; in termini di materiale del nucleo di ferro, ci sono principalmente nucleo ceramico e due tipi magnetici morbidi. Sono ferrite e polvere metallica. A seconda della struttura o del metodo di confezionamento, ci sono filo avvolto, multistrato e modellato e il filo avvolto ha non schermato e metà di colla magnetica Schermata (semi-schermata) e schermata (schermata), ecc.

L'induttore si comporta come un cortocircuito in corrente continua e presenta un'elevata impedenza alla corrente alternata. Gli usi di base nei circuiti includono soffocamento, filtraggio, sintonizzazione e accumulo di energia. Nell'applicazione del convertitore di commutazione, l'induttore è il componente di accumulo di energia più importante e forma un filtro passa basso con il condensatore di uscita per ridurre l'ondulazione della tensione di uscita, quindi svolge anche un ruolo importante nella funzione di filtraggio.

Questo articolo introdurrà i vari materiali di base degli induttori e le loro caratteristiche, nonché alcune delle caratteristiche elettriche degli induttori, come importante riferimento di valutazione per la selezione degli induttori durante la progettazione del circuito. Nell'esempio applicativo verrà introdotto, attraverso esempi pratici, come calcolare il valore dell'induttanza e come scegliere un induttore standard disponibile in commercio.

Tipo di materiale del nucleo core

Gli induttori utilizzati nei convertitori di commutazione sono componenti magnetici ad alta frequenza. Il materiale del nucleo al centro influisce maggiormente sulle caratteristiche dell'induttore, come l'impedenza e la frequenza, il valore e la frequenza dell'induttanza o le caratteristiche di saturazione del nucleo. Quanto segue introdurrà il confronto di diversi materiali comuni con anima in ferro e le loro caratteristiche di saturazione come riferimento importante per la selezione degli induttori di potenza:

1. Nucleo in ceramica

Il nucleo ceramico è uno dei materiali di induttanza comuni. Viene principalmente utilizzato per fornire la struttura di supporto utilizzata durante l'avvolgimento della bobina. È anche chiamato "induttore del nucleo d'aria". Poiché il nucleo di ferro utilizzato è un materiale non magnetico con un coefficiente di temperatura molto basso, il valore dell'induttanza è molto stabile nell'intervallo della temperatura di esercizio. Tuttavia, a causa del materiale non magnetico come mezzo, l'induttanza è molto bassa, il che non è molto adatta per l'applicazione di convertitori di potenza.

2. Ferrite

Il nucleo di ferrite utilizzato negli induttori generali ad alta frequenza è un composto di ferrite contenente zinco nichel (NiZn) o zinco manganese (MnZn), che è un materiale ferromagnetico magnetico morbido con bassa coercività. La Figura 1 mostra la curva di isteresi (loop BH) di un nucleo magnetico generale. La forza coercitiva HC di un materiale magnetico è anche chiamata forza coercitiva, il che significa che quando il materiale magnetico è stato magnetizzato alla saturazione magnetica, la sua magnetizzazione (magnetizzazione) viene ridotta a zero. L'intensità del campo magnetico richiesta in quel momento. Una minore coercitività significa una minore resistenza alla smagnetizzazione e significa anche una minore perdita di isteresi.

Le ferriti manganese-zinco e nichel-zinco hanno una permeabilità relativa relativamente elevata (μr), circa 1500-15000 e 100-1000, rispettivamente. La loro elevata permeabilità magnetica rende il nucleo di ferro più alto in un certo volume. L'induttanza. Tuttavia, lo svantaggio è che la sua corrente di saturazione tollerabile è bassa e, una volta saturato il nucleo di ferro, la permeabilità magnetica diminuirà drasticamente. Fare riferimento alla Figura 4 per l'andamento decrescente della permeabilità magnetica dei nuclei di ferrite e di ferro in polvere quando il nucleo di ferro è saturato. Confronto. Quando viene utilizzato negli induttori di potenza, verrà lasciato un traferro nel circuito magnetico principale, che può ridurre la permeabilità, evitare la saturazione e immagazzinare più energia; quando è incluso il traferro, la permeabilità relativa equivalente può essere di circa 20- Tra 200. Poiché l'elevata resistività del materiale stesso può ridurre la perdita causata dalle correnti parassite, la perdita è inferiore alle alte frequenze ed è più adatta per trasformatori ad alta frequenza, induttori di filtro EMI e induttori di accumulo di energia dei convertitori di potenza. In termini di frequenza operativa, la ferrite nichel-zinco è adatta all'uso (>1 MHz), mentre la ferrite manganese-zinco è adatta per le bande di frequenza più basse (<2 MHz).

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Figura 1. La curva di isteresi del nucleo magnetico (BR: rimanenza; BSAT: densità di flusso magnetico di saturazione)

3. Nucleo di ferro in polvere

I nuclei di ferro in polvere sono anche materiali ferromagnetici a magneti dolci. Sono realizzati con leghe di polvere di ferro di diversi materiali o solo polvere di ferro. La formula contiene materiali non magnetici con diverse dimensioni delle particelle, quindi la curva di saturazione è relativamente delicata. Il nucleo di ferro in polvere è per lo più toroidale. La Figura 2 mostra il nucleo di ferro in polvere e la sua vista in sezione trasversale.

I nuclei di ferro in polvere comuni includono lega di ferro-nichel-molibdeno (MPP), sendust (Sendust), lega di ferro-nichel (alto flusso) e nucleo di polvere di ferro (polvere di ferro). A causa dei diversi componenti, anche le sue caratteristiche e i suoi prezzi sono diversi, il che influisce sulla scelta degli induttori. Quanto segue introdurrà i suddetti tipi di core e ne confronterà le caratteristiche:

A. Lega ferro-nichel-molibdeno (MPP)

La lega Fe-Ni-Mo è abbreviata in MPP, che è l'abbreviazione di polvere di molypermalloy. La permeabilità relativa è di circa 14-500 e la densità del flusso magnetico di saturazione è di circa 7500 Gauss (Gauss), che è superiore alla densità del flusso magnetico di saturazione della ferrite (circa 4000-5000 Gauss). Molti fuori. MPP ha la più piccola perdita di ferro e ha la migliore stabilità alla temperatura tra i nuclei di ferro in polvere. Quando la corrente continua esterna raggiunge la corrente di saturazione ISAT, il valore dell'induttanza diminuisce lentamente senza brusche attenuazioni. MPP ha prestazioni migliori ma costi più elevati e viene solitamente utilizzato come induttore di potenza e filtro EMI per i convertitori di potenza.

 

B. Sendust

Il nucleo di ferro in lega di ferro-silicio-alluminio è un nucleo di ferro in lega composto da ferro, silicio e alluminio, con una permeabilità magnetica relativa da circa 26 a 125. La perdita di ferro è tra il nucleo di polvere di ferro e MPP e lega di ferro-nichel . La densità del flusso magnetico di saturazione è superiore a MPP, circa 10500 Gauss. La stabilità della temperatura e le caratteristiche della corrente di saturazione sono leggermente inferiori all'MPP e alla lega di ferro-nichel, ma migliori del nucleo di polvere di ferro e del nucleo di ferrite e il costo relativo è più economico di MPP e della lega di ferro-nichel. Viene utilizzato principalmente nel filtraggio EMI, nei circuiti di correzione del fattore di potenza (PFC) e negli induttori di potenza dei convertitori di potenza a commutazione.

 

C. Lega ferro-nichel (alto flusso)

Il nucleo in lega di ferro-nichel è fatto di ferro e nichel. La permeabilità magnetica relativa è di circa 14-200. La perdita di ferro e la stabilità della temperatura sono comprese tra MPP e lega ferro-silicio-alluminio. Il nucleo in lega di ferro-nichel ha la più alta densità di flusso magnetico di saturazione, circa 15.000 Gauss, e può sopportare correnti di polarizzazione CC più elevate e anche le sue caratteristiche di polarizzazione CC sono migliori. Ambito di applicazione: correzione del fattore di potenza attiva, induttanza di accumulo di energia, induttanza del filtro, trasformatore ad alta frequenza del convertitore flyback, ecc.

 

D. Polvere di ferro

Il nucleo di polvere di ferro è costituito da particelle di polvere di ferro di elevata purezza con particelle molto piccole isolate l'una dall'altra. Il processo di fabbricazione gli fa avere un traferro distribuito. Oltre alla forma ad anello, le forme comuni del nucleo in polvere di ferro hanno anche tipi di tipo E e stampaggio. La permeabilità magnetica relativa del nucleo di polvere di ferro è di circa 10-75 e la densità del flusso magnetico ad alta saturazione è di circa 15000 Gauss. Tra i nuclei di ferro in polvere, il nucleo di polvere di ferro ha la più alta perdita di ferro ma il costo più basso.

La Figura 3 mostra le curve BH della ferrite manganese-zinco PC47 prodotta da TDK e nuclei di ferro in polvere -52 e -2 prodotti da MICROMETALS; la relativa permeabilità magnetica della ferrite manganese-zinco è molto superiore a quella dei nuclei di ferro in polvere ed è satura. Anche la densità del flusso magnetico è molto diversa, la ferrite è di circa 5000 Gauss e il nucleo di polvere di ferro è superiore a 10000 Gauss.

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Figura 3. Curva BH di nuclei di ferrite manganese-zinco e polvere di ferro di materiali diversi

 

In sintesi, le caratteristiche di saturazione del nucleo di ferro sono diverse; una volta superata la corrente di saturazione, la permeabilità magnetica del nucleo in ferrite diminuirà drasticamente, mentre il nucleo in polvere di ferro potrà diminuire lentamente. La Figura 4 mostra le caratteristiche di caduta della permeabilità magnetica di un nucleo di ferro in polvere con la stessa permeabilità magnetica e una ferrite con un traferro sotto diverse intensità di campo magnetico. Questo spiega anche l'induttanza del nucleo di ferrite, poiché la permeabilità diminuisce bruscamente quando il nucleo è saturo, come si può vedere dall'equazione (1), provoca anche un brusco calo dell'induttanza; mentre il nucleo in polvere con traferro distribuito, la permeabilità magnetica La velocità diminuisce lentamente quando il nucleo di ferro è saturo, quindi l'induttanza diminuisce più dolcemente, cioè ha migliori caratteristiche di polarizzazione CC. Nell'applicazione dei convertitori di potenza questa caratteristica è molto importante; se la caratteristica di saturazione lenta dell'induttore non è buona, la corrente dell'induttore sale alla corrente di saturazione e l'improvviso calo dell'induttanza farà aumentare bruscamente lo stress della corrente del cristallo di commutazione, il che è facile da causare danni.

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Figura 4. Caratteristiche di caduta della permeabilità magnetica del nucleo di ferro in polvere e del nucleo di ferro ferrite con traferro sotto diversa intensità del campo magnetico.

 

Caratteristiche elettriche dell'induttore e struttura del pacchetto

Quando si progetta un convertitore a commutazione e si seleziona un induttore, il valore di induttanza L, l'impedenza Z, la resistenza AC ACR e il valore Q (fattore di qualità), la corrente nominale IDC e ISAT e la perdita del nucleo (perdita del nucleo) e altre importanti caratteristiche elettriche sono tutti Must essere considerato. Inoltre, la struttura dell'imballaggio dell'induttore influenzerà l'entità della dispersione magnetica, che a sua volta influisce sull'EMI. Quanto segue discuterà separatamente le caratteristiche sopra menzionate come considerazioni per la selezione degli induttori.

1. Valore di induttanza (L)

Il valore dell'induttanza di un induttore è il parametro di base più importante nella progettazione del circuito, ma è necessario verificare se il valore dell'induttanza è stabile alla frequenza operativa. Il valore nominale dell'induttanza viene solitamente misurato a 100 kHz o 1 MHz senza una polarizzazione CC esterna. E per garantire la possibilità di una produzione automatizzata di massa, la tolleranza dell'induttore è solitamente ±20% (M) e ±30% (N). La Figura 5 è il grafico caratteristico dell'induttanza-frequenza dell'induttore Taiyo Yuden NR4018T220M misurato con il misuratore LCR di Wayne Kerr. Come mostrato nella figura, la curva del valore dell'induttanza è relativamente piatta prima di 5 MHz e il valore dell'induttanza può essere considerato quasi una costante. Nella banda ad alta frequenza a causa della risonanza generata dalla capacità parassita e dall'induttanza, il valore dell'induttanza aumenterà. Questa frequenza di risonanza è chiamata frequenza di auto-risonanza (SRF), che di solito deve essere molto più alta della frequenza operativa.

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Figura 5, diagramma di misurazione della caratteristica di induttanza-frequenza di Taiyo Yuden NR4018T220M

 

2. Impedenza (Z)

Come mostrato in Figura 6, il diagramma di impedenza può essere visto anche dalle prestazioni dell'induttanza a frequenze diverse. L'impedenza dell'induttore è approssimativamente proporzionale alla frequenza (Z=2πfL), quindi maggiore è la frequenza, la reattanza sarà molto più grande della resistenza AC, quindi l'impedenza si comporta come una pura induttanza (la fase è 90˚). Alle alte frequenze, per effetto della capacità parassita, si può vedere il punto di frequenza autorisonante dell'impedenza. Dopo questo punto, l'impedenza scende e diventa capacitiva e la fase cambia gradualmente a -90 .

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3. Valore Q e resistenza AC (ACR)

Il valore Q nella definizione di induttanza è il rapporto tra reattanza e resistenza, cioè il rapporto tra la parte immaginaria e la parte reale dell'impedenza, come nella formula (2).

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Dove XL è la reattanza dell'induttore e RL è la resistenza CA dell'induttore.

Nella gamma delle basse frequenze, la resistenza AC è maggiore della reattanza causata dall'induttanza, quindi il suo valore Q è molto basso; all'aumentare della frequenza, la reattanza (circa 2πfL) diventa sempre più grande, anche se la resistenza dovuta all'effetto pelle (effetto pelle) e all'effetto prossimità (prossimità) L'effetto diventa sempre più grande e il valore Q aumenta ancora con la frequenza ; quando ci si avvicina a SRF, la reattanza induttiva viene gradualmente compensata dalla reattanza capacitiva e il valore Q diventa gradualmente più piccolo; quando l'SRF diventa zero, perché la reattanza induttiva e la reattanza capacitiva sono completamente le stesse scompaiono. La Figura 7 mostra la relazione tra il valore Q e la frequenza di NR4018T220M e la relazione ha la forma di una campana rovesciata.

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Figura 7. La relazione tra il valore Q e la frequenza dell'induttore Taiyo Yuden NR4018T220M

Nella banda di frequenza dell'induttanza dell'applicazione, maggiore è il valore Q, meglio è; significa che la sua reattanza è molto maggiore della resistenza AC. In generale, il miglior valore Q è superiore a 40, il che significa che la qualità dell'induttore è buona. Tuttavia, generalmente all'aumentare della polarizzazione CC, il valore dell'induttanza diminuirà e anche il valore Q diminuirà. Se si utilizza un filo smaltato piatto o un filo smaltato a più fili, è possibile ridurre l'effetto pelle, ovvero la resistenza CA, e aumentare anche il valore Q dell'induttore.

La resistenza CC DCR è generalmente considerata come la resistenza CC del filo di rame e la resistenza può essere calcolata in base al diametro e alla lunghezza del filo. Tuttavia, la maggior parte degli induttori SMD a bassa corrente utilizzerà la saldatura a ultrasuoni per realizzare il foglio di rame dell'SMD sul terminale di avvolgimento. Tuttavia, poiché il filo di rame non è lungo e il valore di resistenza non è elevato, la resistenza di saldatura spesso rappresenta una parte considerevole della resistenza CC complessiva. Prendendo come esempio l'induttore SMD a filo avvolto CLF6045NIT-1R5N di TDK, la resistenza CC misurata è 14,6 mΩ e la resistenza CC calcolata in base al diametro e alla lunghezza del filo è 12,1 mΩ. I risultati mostrano che questa resistenza di saldatura rappresenta circa il 17% della resistenza CC complessiva.

Resistenza AC L'ACR ha un effetto pelle e un effetto di prossimità, che farà aumentare l'ACR con la frequenza; nell'applicazione dell'induttanza generale, poiché la componente AC è molto inferiore alla componente DC, l'influenza causata dall'ACR non è evidente; ma a carico leggero, poiché la componente CC è ridotta, la perdita causata dall'ACR non può essere ignorata. L'effetto pelle significa che in condizioni di corrente alternata, la distribuzione della corrente all'interno del conduttore è irregolare e concentrata sulla superficie del filo, con conseguente riduzione dell'area della sezione trasversale del filo equivalente, che a sua volta aumenta la resistenza equivalente del filo con frequenza. Inoltre, in un avvolgimento di filo, fili adiacenti causeranno l'aggiunta e la sottrazione di campi magnetici dovuti alla corrente, in modo che la corrente sia concentrata sulla superficie adiacente al filo (o sulla superficie più lontana, a seconda della direzione della corrente ), che provoca anche l'intercettazione del filo equivalente. Il fenomeno per cui l'area diminuisce e la resistenza equivalente aumenta è il cosiddetto effetto di prossimità; nell'applicazione dell'induttanza di un avvolgimento multistrato, l'effetto di prossimità è ancora più evidente.

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La Figura 8 mostra la relazione tra la resistenza CA e la frequenza dell'induttore SMD a filo avvolto NR4018T220M. Alla frequenza di 1kHz, la resistenza è di circa 360mΩ; a 100kHz la resistenza sale a 775mΩ; a 10MHz, il valore di resistenza è vicino a 160Ω. Quando si stima la perdita di rame, il calcolo deve considerare l'ACR causato dagli effetti di pelle e prossimità e modificarlo alla formula (3).

4. Corrente di saturazione (ISAT)

La corrente di saturazione ISAT è generalmente la corrente di polarizzazione contrassegnata quando il valore dell'induttanza viene attenuato come 10%, 30% o 40%. Per la ferrite air-gap, poiché la sua caratteristica di corrente di saturazione è molto rapida, non c'è molta differenza tra il 10% e il 40%. Fare riferimento alla Figura 4. Tuttavia, se si tratta di un nucleo di polvere di ferro (come un induttore stampato), la curva di saturazione è relativamente delicata, come mostrato nella Figura 9, la corrente di polarizzazione al 10% o al 40% dell'attenuazione dell'induttanza è molto diverso, quindi il valore della corrente di saturazione verrà discusso separatamente per i due tipi di nuclei di ferro come segue.

Per una ferrite a traferro, è ragionevole utilizzare ISAT come limite superiore della corrente massima dell'induttore per le applicazioni dei circuiti. Tuttavia, se si tratta di un nucleo di polvere di ferro, a causa della caratteristica di saturazione lenta, non ci saranno problemi anche se la corrente massima del circuito applicativo supera ISAT. Pertanto, questa caratteristica del nucleo di ferro è più adatta per applicazioni di conversione a commutazione. Sotto carico pesante, sebbene il valore dell'induttanza dell'induttore sia basso, come mostrato nella Figura 9, il fattore di ondulazione della corrente è elevato, ma la tolleranza della corrente del condensatore di corrente è elevata, quindi non sarà un problema. Sotto carico leggero, il valore di induttanza dell'induttore è maggiore, il che aiuta a ridurre la corrente di ripple dell'induttore, riducendo così la perdita di ferro. La Figura 9 confronta la curva della corrente di saturazione della ferrite avvolta SLF7055T1R5N di TDK e dell'induttore con nucleo in polvere di ferro stampato SPM6530T1R5M con lo stesso valore nominale di induttanza.

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Figura 9. Curva della corrente di saturazione della ferrite avvolta e del nucleo in polvere di ferro stampato con lo stesso valore nominale di induttanza

5. Corrente nominale (IDC)

Il valore IDC è la polarizzazione CC quando la temperatura dell'induttore sale a Tr˚C. Le specifiche indicano anche il suo valore di resistenza CC RDC a 20˚C. Secondo il coefficiente di temperatura del filo di rame è di circa 3.930 ppm, quando la temperatura di Tr aumenta, il suo valore di resistenza è RDC_Tr = RDC (1+0,00393Tr), e il suo consumo di energia è PCU = I2DCxRDC. Questa perdita di rame viene dissipata sulla superficie dell'induttore e la resistenza termica ΘTH dell'induttore può essere calcolata:

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La tabella 2 si riferisce alla scheda tecnica della serie TDK VLS6045EX (6,0 × 6,0 × 4,5 mm) e calcola la resistenza termica a un aumento di temperatura di 40 C. Ovviamente, per induttanze della stessa serie e dimensione, la resistenza termica calcolata è pressoché la stessa a causa della stessa area di dissipazione del calore superficiale; in altre parole, è possibile stimare la corrente nominale IDC di diversi induttori. Diverse serie (pacchetti) di induttori hanno diverse resistenze termiche. La tabella 3 confronta la resistenza termica degli induttori della serie TDK VLS6045EX (semischermata) e della serie SPM6530 (stampata). Maggiore è la resistenza termica, maggiore è l'aumento di temperatura generato quando l'induttanza attraversa la corrente di carico; altrimenti, il più basso.

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Tabella 2. Resistenza termica degli induttori della serie VLS6045EX a un aumento di temperatura di 40˚C

Si può vedere dalla Tabella 3 che anche se la dimensione degli induttori è simile, la resistenza termica degli induttori stampati è bassa, cioè la dissipazione del calore è migliore.

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Tabella 3. Confronto della resistenza termica di diversi induttori del pacchetto.

 

6. Perdita del nucleo

La perdita del nucleo, denominata perdita di ferro, è principalmente causata dalla perdita di correnti parassite e dalla perdita di isteresi. La dimensione della perdita di correnti parassite dipende principalmente dal fatto che il materiale del nucleo sia facile da "condurre"; se la conduttività è elevata, cioè la resistività è bassa, la perdita di correnti parassite è elevata e se la resistività della ferrite è elevata, la perdita di correnti parassite è relativamente bassa. La perdita di correnti parassite è anche correlata alla frequenza. Maggiore è la frequenza, maggiore è la perdita di correnti parassite. Pertanto, il materiale del nucleo determinerà la corretta frequenza operativa del nucleo. In generale, la frequenza di lavoro del nucleo di polvere di ferro può raggiungere 1 MHz e la frequenza di lavoro della ferrite può raggiungere i 10 MHz. Se la frequenza operativa supera questa frequenza, la perdita di correnti parassite aumenterà rapidamente e aumenterà anche la temperatura del nucleo di ferro. Tuttavia, con il rapido sviluppo dei materiali per anime in ferro, le anime in ferro con frequenze operative più elevate dovrebbero essere dietro l'angolo.

Un'altra perdita di ferro è la perdita per isteresi, che è proporzionale all'area racchiusa dalla curva di isteresi, che è correlata all'ampiezza di oscillazione della componente AC della corrente; maggiore è l'oscillazione AC, maggiore è la perdita di isteresi.

Nel circuito equivalente di un induttore, viene spesso utilizzato un resistore collegato in parallelo all'induttore per esprimere la perdita di ferro. Quando la frequenza è uguale a SRF, la reattanza induttiva e la reattanza capacitiva si annullano e la reattanza equivalente è zero. In questo momento, l'impedenza dell'induttore è equivalente alla resistenza di perdita di ferro in serie con la resistenza di avvolgimento e la resistenza di perdita di ferro è molto più grande della resistenza di avvolgimento, quindi l'impedenza a SRF è approssimativamente uguale alla resistenza di perdita di ferro. Prendendo come esempio un induttore a bassa tensione, la sua resistenza alla perdita di ferro è di circa 20 kΩ. Se si stima che la tensione del valore effettivo a entrambe le estremità dell'induttore sia 5 V, la sua perdita di ferro è di circa 1,25 mW, il che mostra anche che maggiore è la resistenza alla perdita di ferro, meglio è.

7. Struttura dello scudo

La struttura dell'imballaggio degli induttori di ferrite include non schermati, semi-schermati con colla magnetica e schermati e in entrambi è presente un considerevole traferro. Ovviamente, il traferro avrà una dispersione magnetica e, nel peggiore dei casi, interferirà con i piccoli circuiti di segnale circostanti o, se nelle vicinanze è presente un materiale magnetico, anche la sua induttanza verrà modificata. Un'altra struttura di imballaggio è un induttore in polvere di ferro stampato. Poiché non c'è spazio all'interno dell'induttore e la struttura dell'avvolgimento è solida, il problema della dissipazione del campo magnetico è relativamente piccolo. La Figura 10 è l'uso della funzione FFT dell'oscilloscopio RTO 1004 per misurare l'ampiezza del campo magnetico di dispersione a 3 mm sopra e sul lato dell'induttore stampato. La tabella 4 elenca il confronto del campo magnetico di dispersione di diversi induttori con struttura del pacchetto. Si può notare che gli induttori non schermati hanno la dispersione magnetica più grave; gli induttori stampati hanno la più piccola dispersione magnetica, mostrando il miglior effetto di schermatura magnetica. . La differenza nell'ampiezza del campo magnetico di dispersione degli induttori di queste due strutture è di circa 14 dB, che è quasi 5 volte.

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Figura 10. L'entità del campo magnetico di dispersione misurata a 3 mm sopra e sul lato dell'induttore stampato

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Tabella 4. Confronto del campo magnetico di dispersione di diversi induttori della struttura del pacchetto

8. accoppiamento

In alcune applicazioni, a volte ci sono più set di convertitori CC sul PCB, che di solito sono disposti uno accanto all'altro e anche i loro induttori corrispondenti sono disposti uno accanto all'altro. Se si utilizza un tipo non schermato o semischermato con colla magnetica, gli induttori possono essere accoppiati tra loro per formare interferenze EMI. Pertanto, quando si posiziona l'induttore, si consiglia di contrassegnare prima la polarità dell'induttore e collegare il punto di inizio e di avvolgimento dello strato più interno dell'induttore alla tensione di commutazione del convertitore, come il VSW di un convertitore buck, che è il punto in movimento. Il terminale di uscita è collegato al condensatore di uscita, che è il punto statico; l'avvolgimento del filo di rame forma quindi un certo grado di schermatura del campo elettrico. Nella disposizione del cablaggio del multiplexer, fissare la polarità dell'induttanza aiuta a fissare l'ampiezza dell'induttanza reciproca ed evitare alcuni problemi EMI imprevisti.

Applicazioni:

Il capitolo precedente ha discusso il materiale del nucleo, la struttura del pacchetto e le importanti caratteristiche elettriche dell'induttore. Questo capitolo spiegherà come scegliere il valore di induttanza appropriato del convertitore buck e le considerazioni per la scelta di un induttore disponibile in commercio.

Come mostrato nell'equazione (5), il valore dell'induttore e la frequenza di commutazione del convertitore influenzeranno la corrente di ripple dell'induttore (ΔiL). La corrente di ripple dell'induttore scorrerà attraverso il condensatore di uscita e influenzerà la corrente di ripple del condensatore di uscita. Pertanto, influenzerà la selezione del condensatore di uscita e influenzerà ulteriormente la dimensione dell'ondulazione della tensione di uscita. Inoltre, il valore dell'induttanza e il valore della capacità di uscita influenzeranno anche il design del feedback del sistema e la risposta dinamica del carico. La scelta di un valore di induttanza maggiore comporta una minore sollecitazione di corrente sul condensatore ed è anche vantaggiosa per ridurre l'ondulazione della tensione di uscita e può immagazzinare più energia. Tuttavia, un valore di induttanza maggiore indica un volume maggiore, ovvero un costo maggiore. Pertanto, quando si progetta il convertitore, la progettazione del valore dell'induttanza è molto importante.

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Si può vedere dalla formula (5) che quando il divario tra la tensione di ingresso e la tensione di uscita è maggiore, la corrente di ripple dell'induttore sarà maggiore, che è la condizione peggiore del progetto dell'induttore. Abbinato ad altre analisi induttive, il punto di progetto dell'induttanza del convertitore step-down dovrebbe essere generalmente selezionato nelle condizioni di massima tensione di ingresso e pieno carico.

Quando si progetta il valore dell'induttanza, è necessario fare un compromesso tra la corrente di ripple dell'induttore e la dimensione dell'induttore e il fattore di corrente di ripple (fattore di corrente di ripple; ) è definito qui, come nella formula (6).

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Sostituendo la formula (6) nella formula (5), il valore dell'induttanza può essere espresso come formula (7).

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Secondo la formula (7), quando la differenza tra la tensione di ingresso e quella di uscita è maggiore, il valore può essere selezionato più grande; al contrario, se la tensione di ingresso e di uscita sono più vicine, il valore γ di progetto deve essere inferiore. Per scegliere tra la corrente di ripple dell'induttore e la dimensione, in base al valore dell'esperienza di progettazione tradizionale, è solitamente compreso tra 0,2 e 0,5. Di seguito viene preso come esempio RT7276 per illustrare il calcolo dell'induttanza e la selezione degli induttori disponibili in commercio.

Esempio di progettazione: progettato con convertitore step-down a rettifica sincrona avanzata RT7276 a tempo di accensione costante avanzato (Advanced Constant On-Time; ACOTTM), la sua frequenza di commutazione è di 700 kHz, la tensione di ingresso è compresa tra 4,5 V e 18 V e la tensione di uscita è 1,05 V . La corrente a pieno carico è 3A. Come accennato in precedenza, il valore dell'induttanza deve essere progettato nelle condizioni della massima tensione di ingresso di 18V e del pieno carico di 3A, il valore di è preso come 0,35 e il valore sopra è sostituito nell'equazione (7), l'induttanza il valore è

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Utilizzare un induttore con un valore di induttanza nominale convenzionale di 1,5 µH. Sostituire la formula (5) per calcolare la corrente di ripple dell'induttore come segue.

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Pertanto, la corrente di picco dell'induttore è

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E il valore effettivo della corrente dell'induttore (IRMS) è

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Poiché il componente di ondulazione dell'induttore è piccolo, il valore effettivo della corrente dell'induttore è principalmente il suo componente CC e questo valore effettivo viene utilizzato come base per la selezione della corrente nominale IDC dell'induttore. Con un design con declassamento (declassamento) dell'80%, i requisiti di induttanza sono:

 

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

 

La tabella 5 elenca gli induttori disponibili di diverse serie di TDK, simili nelle dimensioni ma differenti nella struttura del pacchetto. Dalla tabella si può vedere che la corrente di saturazione e la corrente nominale dell'induttore stampato (SPM6530T-1R5M) sono grandi e la resistenza termica è piccola e la dissipazione del calore è buona. Inoltre, secondo la discussione nel capitolo precedente, il materiale del nucleo dell'induttore stampato è il nucleo di polvere di ferro, quindi viene confrontato con il nucleo di ferrite degli induttori semischermati (VLS6045EX-1R5N) e schermati (SLF7055T-1R5N). con colla magnetica. , Ha buone caratteristiche di polarizzazione CC. La Figura 11 mostra il confronto dell'efficienza di diversi induttori applicati al convertitore step-down a rettificazione sincrona a tempo costante avanzato RT7276. I risultati mostrano che la differenza di efficienza tra i tre non è significativa. Se si considerano la dissipazione del calore, le caratteristiche di polarizzazione CC e i problemi di dissipazione del campo magnetico, si consiglia di utilizzare gli induttori SPM6530T-1R5M.

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Tabella 5. Confronto delle induttanze di diverse serie di TDK

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Figura 11. Confronto dell'efficienza del convertitore con diversi induttori

Se si sceglie la stessa struttura del pacchetto e il valore di induttanza, ma induttori di dimensioni inferiori, come SPM4015T-1R5M (4,4 × 4,1 × 1,5 mm), sebbene le sue dimensioni siano piccole, la resistenza CC RDC (44,5 mΩ) e la resistenza termica ΘTH ( 51˚C) /W) Più grande. Per convertitori con le stesse specifiche, anche il valore effettivo della corrente tollerata dall'induttore è lo stesso. Ovviamente, la resistenza CC ridurrà l'efficienza sotto carico pesante. Inoltre, una grande resistenza termica significa scarsa dissipazione del calore. Pertanto, quando si sceglie un induttore, non è solo necessario considerare i vantaggi delle dimensioni ridotte, ma anche valutare i suoi difetti di accompagnamento.

 

In conclusione

L'induttanza è uno dei componenti passivi comunemente usati nei convertitori di potenza a commutazione, che può essere utilizzato per l'immagazzinamento e il filtraggio dell'energia. Tuttavia, nella progettazione del circuito, non è solo il valore dell'induttanza che deve essere prestato attenzione, ma altri parametri tra cui la resistenza CA e il valore Q, la tolleranza di corrente, la saturazione del nucleo di ferro e la struttura del pacchetto, ecc., sono tutti parametri che devono essere considerato quando si sceglie un induttore. . Questi parametri sono generalmente correlati al materiale di base, al processo di fabbricazione, alle dimensioni e al costo. Pertanto, questo articolo introduce le caratteristiche dei diversi materiali con anima in ferro e come scegliere un'induttanza appropriata come riferimento per la progettazione dell'alimentatore.

 


Orario postale: 15 giugno-2021