aktualności

Streszczenie

Cewki indukcyjne są bardzo ważnymi elementami przekształtników przełączających, takimi jak magazynowanie energii i filtry mocy. Istnieje wiele typów cewek, na przykład do różnych zastosowań (od niskiej częstotliwości do wysokiej częstotliwości) lub różne materiały rdzenia, które wpływają na charakterystykę cewki indukcyjnej i tak dalej. Cewki stosowane w przetwornicach przełączających są elementami magnetycznymi o wysokiej częstotliwości. Jednakże ze względu na różne czynniki, takie jak materiały, warunki pracy (takie jak napięcie i prąd) oraz temperatura otoczenia, przedstawione charakterystyki i teorie są zupełnie inne. Dlatego przy projektowaniu obwodu, oprócz podstawowego parametru wartości indukcyjności, należy nadal wziąć pod uwagę związek między impedancją cewki indukcyjnej a rezystancją i częstotliwością prądu przemiennego, straty w rdzeniu i charakterystykę prądu nasycenia itp. W tym artykule przedstawiono kilka ważnych materiałów rdzenia cewki indukcyjnej i ich charakterystykę, a także poinstruowano inżynierów energetyków w wyborze dostępnych na rynku standardowych cewek indukcyjnych.

Przedmowa

Cewka jest elementem indukcji elektromagnetycznej, który powstaje poprzez nawinięcie określonej liczby cewek (cewek) na szpulę lub rdzeń za pomocą izolowanego drutu. Cewka ta nazywana jest cewką indukcyjną lub cewką indukcyjną. Zgodnie z zasadą indukcji elektromagnetycznej, gdy cewka i pole magnetyczne poruszają się względem siebie lub cewka wytwarza zmienne pole magnetyczne poprzez prąd przemienny, generowane jest indukowane napięcie, które przeciwdziała zmianie pierwotnego pola magnetycznego, a ta cecha powstrzymywania zmiany prądu nazywa się indukcyjnością.

Wzór na wartość indukcyjności jest wzorem (1), który jest proporcjonalny do przenikalności magnetycznej, kwadratu zwojów uzwojenia N i zastępczego pola przekroju poprzecznego obwodu magnetycznego Ae i jest odwrotnie proporcjonalny do zastępczej długości obwodu magnetycznego le . Istnieje wiele rodzajów indukcyjności, każdy odpowiedni do różnych zastosowań; indukcyjność jest związana z kształtem, rozmiarem, sposobem nawijania, liczbą zwojów i rodzajem pośredniego materiału magnetycznego.

(1)

W zależności od kształtu rdzenia żelaznego, indukcyjność obejmuje rdzeń toroidalny, rdzeń E i bęben; jeśli chodzi o materiał rdzenia żelaznego, wyróżnia się głównie rdzeń ceramiczny i dwa rodzaje miękkiego rdzenia magnetycznego. Są to ferryt i proszek metaliczny. W zależności od konstrukcji lub sposobu pakowania, istnieją druty nawinięte, wielowarstwowe i formowane, a druty nawinięte są nieekranowane, a połowa z kleju magnetycznego jest ekranowana (częściowo ekranowana) i ekranowana (ekranowana) itp.

Cewka indukcyjna działa jak zwarcie prądu stałego i wykazuje wysoką impedancję w stosunku do prądu przemiennego. Podstawowe zastosowania w obwodach obejmują dławienie, filtrowanie, strojenie i magazynowanie energii. W zastosowaniu konwertera przełączającego cewka jest najważniejszym elementem magazynującym energię i tworzy filtr dolnoprzepustowy z kondensatorem wyjściowym w celu zmniejszenia tętnienia napięcia wyjściowego, dlatego odgrywa również ważną rolę w funkcji filtrowania.

W tym artykule zostaną przedstawione różne materiały rdzenia cewek indukcyjnych i ich charakterystyki, a także niektóre właściwości elektryczne cewek, jako ważne odniesienie do oceny przy wyborze cewek indukcyjnych podczas projektowania obwodów. W przykładzie zastosowania, za pomocą praktycznych przykładów, zostanie przedstawiony sposób obliczenia wartości indukcyjności i wyboru dostępnej na rynku standardowej cewki indukcyjnej.

Rodzaj materiału rdzenia

Cewki stosowane w przetwornicach przełączających są elementami magnetycznymi o wysokiej częstotliwości. Materiał rdzenia znajdujący się w środku ma największy wpływ na charakterystykę cewki indukcyjnej, taką jak impedancja i częstotliwość, wartość i częstotliwość indukcyjności lub charakterystyka nasycenia rdzenia. Poniżej przedstawiono porównanie kilku popularnych materiałów na rdzeń żelazny i ich charakterystykę nasycenia, jako ważne odniesienie przy wyborze cewek mocy:

1. Rdzeń ceramiczny

Rdzeń ceramiczny jest jednym z powszechnych materiałów indukcyjnych. Służy głównie do zapewnienia konstrukcji nośnej używanej podczas nawijania cewki. Nazywa się go również „cewką z rdzeniem powietrznym”. Ponieważ zastosowany rdzeń żelazny jest materiałem niemagnetycznym o bardzo niskim współczynniku temperaturowym, wartość indukcyjności jest bardzo stabilna w zakresie temperatur pracy. Jednakże, ze względu na materiał niemagnetyczny jako medium, indukcyjność jest bardzo niska, co nie jest zbyt odpowiednie do stosowania w przetwornikach mocy.

2. Ferryt

Rdzeń ferrytowy stosowany ogólnie w cewkach indukcyjnych wysokiej częstotliwości to związek ferrytowy zawierający nikiel-cynk (NiZn) lub mangan-cynk (MnZn), który jest miękkim magnetycznym materiałem ferromagnetycznym o niskiej koercji. Rysunek 1 przedstawia krzywą histerezy (pętlę BH) ogólnego rdzenia magnetycznego. Siła koercji HC materiału magnetycznego nazywana jest także siłą koercji, co oznacza, że ​​gdy materiał magnetyczny zostanie namagnesowany do stanu nasycenia magnetycznego, jego namagnesowanie (namagnesowanie) zostaje zredukowane do zera. Wymagane w danym momencie natężenie pola magnetycznego. Niższa koercja oznacza mniejszą odporność na rozmagnesowanie, a także oznacza mniejsze straty histerezy.

Ferryty manganowo-cynkowe i niklowo-cynkowe mają stosunkowo wysoką przepuszczalność względną (μr), odpowiednio około 1500-15000 i 100-1000. Ich wysoka przenikalność magnetyczna sprawia, że ​​żelazny rdzeń jest większy w określonej objętości. Indukcyjność. Jednak wadą jest to, że jego tolerowany prąd nasycenia jest niski, a po nasyceniu żelaznego rdzenia przenikalność magnetyczna gwałtownie spada. Na rysunku 4 przedstawiono tendencję spadkową przenikalności magnetycznej rdzeni ferrytowych i proszków żelaznych, gdy rdzeń żelazny jest nasycony. Porównanie. W przypadku stosowania w cewkach mocy w głównym obwodzie magnetycznym pozostanie szczelina powietrzna, co może zmniejszyć przepuszczalność, uniknąć nasycenia i magazynować więcej energii; gdy uwzględniona jest szczelina powietrzna, równoważna przepuszczalność względna może wynosić około 20–200. Ponieważ wysoka rezystywność samego materiału może zmniejszyć straty powodowane przez prądy wirowe, straty są mniejsze przy wysokich częstotliwościach i są bardziej odpowiednie dla transformatory wysokiej częstotliwości, cewki filtrujące EMI i cewki magazynujące energię przekształtników mocy. Pod względem częstotliwości roboczej do stosowania nadaje się ferryt niklowo-cynkowy (>1 MHz), natomiast ferryt manganowo-cynkowy nadaje się do niższych pasm częstotliwości (<2 MHz).

1

Rysunek 1. Krzywa histerezy rdzenia magnetycznego (BR: remanencja; BSAT: gęstość strumienia magnetycznego nasycenia)

3. Rdzeń z proszków żelaza

Rdzenie z żelaza proszkowego są również miękkimi materiałami ferromagnetycznymi. Wykonuje się je ze stopów proszku żelaza z różnych materiałów lub samego proszku żelaza. Formuła zawiera materiały niemagnetyczne o różnej wielkości cząstek, dzięki czemu krzywa nasycenia jest stosunkowo łagodna. Rdzeń z żelaza proszkowego jest w większości toroidalny. Rysunek 2 przedstawia rdzeń z proszków żelaza i jego przekrój poprzeczny.

Typowe rdzenie ze sproszkowanego żelaza obejmują stop żelaza, niklu i molibdenu (MPP), pył wysyłany (Sendust), stop żelaza i niklu (wysoki topnik) i rdzeń z proszku żelaza (proszek żelaza). Ze względu na różne komponenty, różne są także jego właściwości i ceny, co wpływa na wybór cewek indukcyjnych. Poniżej przedstawimy wyżej wymienione typy rdzeni i porównamy ich charakterystykę:

A. Stop żelaza, niklu i molibdenu (MPP)

Stop Fe-Ni-Mo jest skrótem MPP, co jest skrótem od proszku molypermalloyu. Względna przepuszczalność wynosi około 14-500, a gęstość strumienia magnetycznego nasycenia wynosi około 7500 Gaussów (Gaussa), czyli jest wyższa niż gęstość strumienia magnetycznego nasycenia ferrytu (około 4000-5000 Gaussów). Wielu na zewnątrz. MPP charakteryzuje się najmniejszymi stratami żelaza i najlepszą stabilnością temperaturową wśród rdzeni z żelaza proszkowego. Kiedy zewnętrzny prąd stały osiąga wartość prądu nasycenia ISAT, wartość indukcyjności zmniejsza się powoli, bez gwałtownego tłumienia. MPP ma lepszą wydajność, ale jest droższy i jest zwykle używany jako cewka indukcyjna i filtrowanie EMI w konwerterach mocy.

B. Sendust

Rdzeń żelazny ze stopu żelaza, krzemu i aluminium jest rdzeniem ze stopu żelaza składającym się z żelaza, krzemu i aluminium, o względnej przenikalności magnetycznej od około 26 do 125. Straty żelaza występują pomiędzy rdzeniem z proszku żelaza a MPP i stopem żelaza i niklu . Gęstość strumienia magnetycznego nasycenia jest wyższa niż MPP i wynosi około 10500 Gaussów. Stabilność temperaturowa i charakterystyka prądu nasycenia są nieco gorsze od MPP i stopu żelaza i niklu, ale lepsze niż rdzeń z proszku żelaza i rdzeń ferrytowy, a względny koszt jest tańszy niż MPP i stop żelaza i niklu. Stosowany jest głównie w filtrowaniu EMI, obwodach korekcji współczynnika mocy (PFC) i cewkach indukcyjnych mocy impulsowych konwerterów mocy.

C. Stop żelaza i niklu (wysoki strumień)

Rdzeń ze stopu żelaza i niklu wykonany jest z żelaza i niklu. Względna przenikalność magnetyczna wynosi około 14-200. Utrata żelaza i stabilność temperaturowa mieszczą się pomiędzy MPP a stopem żelazo-krzem-aluminium. Rdzeń ze stopu żelaza i niklu ma najwyższą gęstość strumienia magnetycznego nasycenia, około 15 000 gausów, i może wytrzymać wyższe prądy polaryzacji DC, a jego charakterystyka polaryzacji DC jest również lepsza. Zakres zastosowania: Korekcja współczynnika mocy czynnej, indukcyjność magazynowania energii, indukcyjność filtra, transformator wysokiej częstotliwości przetwornicy typu flyback itp.

D. Proszek żelaza

Rdzeń proszku żelaza składa się z cząstek proszku żelaza o wysokiej czystości z bardzo małymi cząsteczkami, które są od siebie odizolowane. Proces produkcyjny sprawia, że ​​ma rozproszoną szczelinę powietrzną. Oprócz kształtu pierścienia, popularne kształty rdzenia z proszku żelaza mają również typy typu E i typy tłoczone. Względna przenikalność magnetyczna rdzenia z proszku żelaza wynosi około 10 do 75, a gęstość strumienia magnetycznego przy wysokim nasyceniu wynosi około 15000 gausów. Spośród rdzeni z proszków żelaza, rdzeń ze sproszkowanego żelaza charakteryzuje się największą stratą żelaza, ale najniższym kosztem.

Rysunek 3 przedstawia krzywe BH ferrytu manganowo-cynkowego PC47 produkowanego przez TDK i rdzeni ze sproszkowanego żelaza -52 i -2 wytwarzanych przez MICROMETALS; względna przenikalność magnetyczna ferrytu manganowo-cynkowego jest znacznie wyższa niż w przypadku rdzeni ze sproszkowanego żelaza i jest nasycona. Gęstość strumienia magnetycznego jest również bardzo różna, ferryt wynosi około 5000 gausów, a rdzeń z proszku żelaza ma ponad 10000 gausów.

3

Rysunek 3. Krzywa BH rdzeni z ferrytu manganowo-cynkowego i proszku żelaza z różnych materiałów

Podsumowując, charakterystyka nasycenia żelaznego rdzenia jest inna; po przekroczeniu prądu nasycenia przenikalność magnetyczna rdzenia ferrytowego gwałtownie spadnie, podczas gdy rdzeń z proszku żelaza może powoli się zmniejszać. Rysunek 4 przedstawia charakterystykę spadku przenikalności magnetycznej rdzenia z proszków żelaza o tej samej przenikalności magnetycznej i ferrytu ze szczeliną powietrzną przy różnym natężeniu pola magnetycznego. To wyjaśnia również indukcyjność rdzenia ferrytowego, ponieważ przepuszczalność gwałtownie spada, gdy rdzeń jest nasycony, jak widać z równania (1), powoduje to również gwałtowny spadek indukcyjności; podczas gdy rdzeń proszkowy z rozproszoną szczeliną powietrzną, przenikalność magnetyczna Szybkość maleje powoli, gdy rdzeń żelazny jest nasycony, więc indukcyjność zmniejsza się łagodniej, to znaczy ma lepszą charakterystykę polaryzacji DC. W zastosowaniu przekształtników mocy ta cecha jest bardzo ważna; jeśli charakterystyka powolnego nasycenia cewki indukcyjnej nie jest dobra, prąd cewki wzrasta do prądu nasycenia, a nagły spadek indukcyjności spowoduje gwałtowny wzrost naprężenia prądowego kryształu przełączającego, co łatwo spowodować uszkodzenie.

4

Rysunek 4. Charakterystyka spadku przepuszczalności magnetycznej rdzenia z żelaza proszkowego i rdzenia z żelaza ferrytowego ze szczeliną powietrzną przy różnym natężeniu pola magnetycznego.

Charakterystyka elektryczna cewki indukcyjnej i struktura opakowania

Projektując przetwornicę przełączającą i wybierając cewkę indukcyjną, należy wziąć pod uwagę wartość indukcyjności L, impedancję Z, rezystancję AC ACR i wartość Q (współczynnik jakości), prąd znamionowy IDC i ISAT oraz straty w rdzeniu (straty w rdzeniu) i inne ważne parametry elektryczne. być brane pod uwagę. Ponadto struktura opakowania cewki będzie miała wpływ na wielkość wycieku magnetycznego, co z kolei wpływa na zakłócenia elektromagnetyczne. Poniżej omówione zostaną wyżej wymienione cechy oddzielnie, jako czynniki wpływające na wybór cewek indukcyjnych.

1. Wartość indukcyjności (L)

Wartość indukcyjności cewki jest najważniejszym podstawowym parametrem przy projektowaniu obwodu, należy jednak sprawdzić, czy wartość indukcyjności jest stabilna przy częstotliwości roboczej. Wartość nominalną indukcyjności mierzy się zwykle przy 100 kHz lub 1 MHz bez zewnętrznego polaryzacji DC. Aby zapewnić możliwość masowej zautomatyzowanej produkcji, tolerancja cewki indukcyjnej wynosi zwykle ± 20% (M) i ± 30% (N). Rysunek 5 przedstawia wykres charakterystyki indukcyjności i częstotliwości cewki indukcyjnej Taiyo Yuden NR4018T220M, zmierzony za pomocą miernika LCR Wayne'a Kerra. Jak pokazano na rysunku, krzywa wartości indukcyjności jest stosunkowo płaska przed częstotliwością 5 MHz, a wartość indukcyjności można prawie uznać za stałą. W paśmie wysokich częstotliwości, na skutek rezonansu generowanego przez pasożytniczą pojemność i indukcyjność, wartość indukcyjności wzrośnie. Ta częstotliwość rezonansowa nazywana jest częstotliwością rezonansu własnego (SRF), która zwykle musi być znacznie wyższa niż częstotliwość robocza.

5

Rysunek 5, schemat pomiaru charakterystyki indukcyjności-częstotliwości Taiyo Yuden NR4018T220M

2. Impedancja (Z)

Jak pokazano na rysunku 6, wykres impedancji można również zobaczyć na podstawie charakterystyki indukcyjności przy różnych częstotliwościach. Impedancja cewki indukcyjnej jest w przybliżeniu proporcjonalna do częstotliwości (Z=2πfL), więc im wyższa częstotliwość, tym reaktancja będzie znacznie większa niż rezystancja prądu przemiennego, więc impedancja zachowuje się jak czysta indukcyjność (faza wynosi 90˚). Przy wysokich częstotliwościach, ze względu na pasożytniczy efekt pojemności, można zaobserwować samorezonansowy punkt częstotliwości impedancji. Po tym momencie impedancja spada i staje się pojemnościowa, a faza stopniowo zmienia się do -90 ˚.

6

3. Wartość Q i rezystancja AC (ACR)

Wartość Q w definicji indukcyjności to stosunek reaktancji do rezystancji, czyli stosunek części urojonej do części rzeczywistej impedancji, jak we wzorze (2).

(2)

Gdzie XL jest reaktancją cewki indukcyjnej, a RL jest rezystancją cewki prądu przemiennego.

W zakresie niskich częstotliwości rezystancja prądu przemiennego jest większa niż reaktancja spowodowana indukcyjnością, więc jej wartość Q jest bardzo niska; wraz ze wzrostem częstotliwości reaktancja (około 2πfL) staje się coraz większa, nawet jeśli opór wynika z efektu naskórkowości (efektu skóry) i efektu bliskości (efektu bliskości). Efekt staje się coraz większy, a wartość Q nadal rośnie wraz z częstotliwością ; zbliżając się do SRF, reaktancja indukcyjna jest stopniowo kompensowana przez reaktancję pojemnościową, a wartość Q stopniowo maleje; gdy SRF osiągnie zero, ponieważ reaktancja indukcyjna i reaktancja pojemnościowa są całkowicie takie same, znikają. Rysunek 7 pokazuje zależność pomiędzy wartością Q i częstotliwością NR4018T220M, przy czym zależność ma kształt odwróconego dzwonu.

7

Rysunek 7. Zależność wartości Q od częstotliwości cewki indukcyjnej Taiyo Yuden NR4018T220M

W pasmie częstotliwości zastosowania indukcyjności, im wyższa wartość Q, tym lepiej; oznacza to, że jego reaktancja jest znacznie większa niż rezystancja prądu przemiennego. Ogólnie rzecz biorąc, najlepsza wartość Q wynosi powyżej 40, co oznacza, że ​​jakość cewki indukcyjnej jest dobra. Jednakże, ogólnie rzecz biorąc, wraz ze wzrostem polaryzacji prądu stałego wartość indukcyjności będzie się zmniejszać, a wartość Q również będzie się zmniejszać. Jeśli używany jest drut emaliowany płaski lub drut emaliowany wielożyłowy, można zmniejszyć efekt naskórkowania, czyli rezystancję prądu przemiennego, a także zwiększyć wartość Q cewki indukcyjnej.

Rezystancja prądu stałego DCR jest ogólnie uważana za rezystancję prądu stałego drutu miedzianego, a rezystancję można obliczyć na podstawie średnicy i długości drutu. Jednakże większość niskoprądowych cewek SMD wykorzystuje spawanie ultradźwiękowe do wykonania blachy miedzianej SMD na końcówce uzwojenia. Ponieważ jednak drut miedziany nie jest długi, a wartość rezystancji nie jest wysoka, rezystancja spawania często stanowi znaczną część całkowitej rezystancji prądu stałego. Biorąc za przykład cewkę drutową SMD CLF6045NIT-1R5N firmy TDK, zmierzona rezystancja prądu stałego wynosi 14,6 mΩ, a rezystancja prądu stałego obliczona na podstawie średnicy i długości drutu wynosi 12,1 mΩ. Wyniki pokazują, że rezystancja spawania stanowi około 17% całkowitej rezystancji prądu stałego.

Rezystancja AC ACR ma efekt naskórkowości i efekt bliskości, co powoduje wzrost ACR wraz z częstotliwością; przy zastosowaniu indukcyjności ogólnej, ponieważ składowa prądu przemiennego jest znacznie niższa niż składowa prądu stałego, wpływ ACR nie jest oczywisty; ale przy niewielkim obciążeniu, ponieważ składowa DC jest zmniejszona, nie można zignorować strat spowodowanych przez ACR. Efekt naskórkowości oznacza, że ​​w warunkach prądu przemiennego rozkład prądu wewnątrz przewodnika jest nierównomierny i skoncentrowany na powierzchni drutu, co powoduje zmniejszenie zastępczego pola przekroju poprzecznego drutu, co z kolei zwiększa zastępczą rezystancję drutu przy częstotliwość. Ponadto w uzwojeniu drutu sąsiednie druty będą powodować dodawanie i odejmowanie pól magnetycznych pod wpływem prądu, tak że prąd koncentruje się na powierzchni przylegającej do drutu (lub najdalszej powierzchni, w zależności od kierunku prądu ), co powoduje również równoważne przechwytywanie przewodu. Zjawisko polegające na zmniejszaniu się powierzchni i zwiększaniu się zastępczego oporu to tzw. efekt bliskości; w przypadku zastosowania indukcyjności uzwojenia wielowarstwowego efekt bliskości jest jeszcze bardziej oczywisty.

8

Rysunek 8 pokazuje zależność pomiędzy rezystancją prądu przemiennego i częstotliwością cewki indukcyjnej SMD drutowej NR4018T220M. Przy częstotliwości 1 kHz rezystancja wynosi około 360 mΩ; przy 100 kHz rezystancja wzrasta do 775 mΩ; przy 10 MHz wartość rezystancji jest bliska 160 Ω. Przy szacowaniu strat miedzi w obliczeniach należy uwzględnić ACR spowodowany efektami naskórkowymi i bliskościowymi i zmodyfikować je do wzoru (3).

4. Prąd nasycenia (ISAT)

Prąd nasycenia ISAT to zazwyczaj prąd polaryzacji oznaczany, gdy wartość indukcyjności jest tłumiona, np. 10%, 30% lub 40%. W przypadku ferrytu szczelinowego, ponieważ jego charakterystyka prądu nasycenia jest bardzo szybka, nie ma dużej różnicy między 10% a 40%. Patrz rysunek 4. Jednakże, jeśli jest to rdzeń z proszku żelaza (taki jak cewka tłoczona), krzywa nasycenia jest stosunkowo łagodna, jak pokazano na rysunku 9, prąd polaryzacji przy 10% lub 40% tłumienia indukcyjności jest znacznie różne, więc wartość prądu nasycenia zostanie omówiona oddzielnie dla dwóch typów rdzeni żelaznych w następujący sposób.

W przypadku ferrytu ze szczeliną powietrzną rozsądne jest użycie ISAT jako górnej granicy maksymalnego prądu cewki indukcyjnej w zastosowaniach obwodów. Jeśli jednak jest to rdzeń z proszku żelaza, ze względu na charakterystykę powolnego nasycania, nie będzie problemu, nawet jeśli maksymalny prąd obwodu aplikacyjnego przekroczy ISAT. Dlatego ta charakterystyka rdzenia żelaznego jest najbardziej odpowiednia do zastosowań w konwerterach przełączających. Pod dużym obciążeniem, chociaż wartość indukcyjności cewki jest niska, jak pokazano na rysunku 9, współczynnik tętnienia prądu jest wysoki, ale tolerancja prądu kondensatora jest wysoka, więc nie będzie to stanowić problemu. Przy niewielkim obciążeniu wartość indukcyjności cewki jest większa, co pomaga zredukować prąd tętnienia cewki, zmniejszając w ten sposób straty żelaza. Rysunek 9 porównuje krzywą prądu nasycenia uzwojonego ferrytu SLF7055T1R5N firmy TDK i cewki z tłoczonym rdzeniem z proszku żelaza SPM6530T1R5M przy tej samej wartości nominalnej indukcyjności.

9

Rysunek 9. Krzywa prądu nasycenia nawiniętego ferrytu i tłoczonego rdzenia z proszku żelaza przy tej samej nominalnej wartości indukcyjności

5. Prąd znamionowy (IDC)

Wartość IDC to polaryzacja prądu stałego, gdy temperatura cewki indukcyjnej wzrasta do Tr˚C. Specyfikacje wskazują również wartość rezystancji DC RDC przy 20˚C. Według współczynnika temperaturowego drutu miedzianego wynoszącego około 3930 ppm, gdy temperatura Tr wzrasta, jego wartość rezystancji wynosi RDC_Tr = RDC (1+0,00393Tr), a jego pobór mocy wynosi PCU = I2DCxRDC. Strata miedzi jest rozpraszana na powierzchni cewki indukcyjnej, a opór cieplny ΘTH cewki można obliczyć:

(2)

Tabela 2 odnosi się do karty katalogowej serii TDK VLS6045EX (6,0×6,0×4,5mm) i oblicza opór cieplny przy wzroście temperatury o 40˚C. Oczywiście dla cewek tej samej serii i rozmiaru obliczony opór cieplny jest prawie taki sam ze względu na tę samą powierzchnię rozpraszania ciepła; innymi słowy, można oszacować prąd znamionowy IDC różnych cewek. Różne serie (pakiety) cewek mają różne opory termiczne. Tabela 3 porównuje rezystancję cieplną cewek indukcyjnych serii TDK VLS6045EX (częściowo ekranowanych) i serii SPM6530 (formowanych). Im większy opór cieplny, tym większy wzrost temperatury generowany, gdy indukcyjność przepływa przez prąd obciążenia; w przeciwnym razie niższy.

(2)

Tabela 2. Opór cieplny cewek serii VLS6045EX przy wzroście temperatury o 40˚C

Z tabeli 3 widać, że nawet jeśli wymiary cewek są podobne, opór cieplny tłoczonych cewek jest niski, to znaczy lepsze odprowadzanie ciepła.

(3)

Tabela 3. Porównanie rezystancji cieplnej różnych cewek indukcyjnych.

6. Utrata rdzenia

Utrata rdzenia, określana jako utrata żelaza, jest spowodowana głównie stratą prądu wirowego i utratą histerezy. Wielkość strat wiroprądowych zależy głównie od tego, czy materiał rdzenia jest łatwy do „przewodzenia”; jeśli przewodność jest wysoka, to znaczy oporność jest niska, strata prądu wirowego jest wysoka, a jeśli rezystywność ferrytu jest wysoka, strata prądu wirowego jest stosunkowo niska. Strata prądu wirowego jest również powiązana z częstotliwością. Im wyższa częstotliwość, tym większa strata prądu wirowego. Dlatego materiał rdzenia określi właściwą częstotliwość roboczą rdzenia. Ogólnie rzecz biorąc, częstotliwość robocza rdzenia z proszku żelaza może osiągnąć 1 MHz, a częstotliwość robocza ferrytu może osiągnąć 10 MHz. Jeśli częstotliwość robocza przekracza tę częstotliwość, straty wiroprądowe gwałtownie wzrosną, a temperatura żelaznego rdzenia również wzrośnie. Jednak wraz z szybkim rozwojem materiałów na rdzenie żelazne, rdzenie żelazne o wyższych częstotliwościach roboczych powinny być tuż za rogiem.

Inną stratą żelaza jest strata histerezy, która jest proporcjonalna do obszaru zamkniętego przez krzywą histerezy, która jest powiązana z amplitudą wahań składowej prądu przemiennego; im większe wahania AC, tym większa utrata histerezy.

W równoważnym obwodzie cewki indukcyjnej często stosuje się rezystor połączony równolegle z cewką, aby wyrazić utratę żelaza. Gdy częstotliwość jest równa SRF, reaktancja indukcyjna i reaktancja pojemnościowa znoszą się, a reaktancja równoważna wynosi zero. W tym momencie impedancja cewki jest równoważna rezystancji utraty żelaza połączonej szeregowo z rezystancją uzwojenia, a rezystancja utraty żelaza jest znacznie większa niż rezystancja uzwojenia, więc impedancja w SRF jest w przybliżeniu równa rezystancji utraty żelaza. Biorąc za przykład cewkę indukcyjną niskiego napięcia, jej rezystancja na utratę żelaza wynosi około 20 kΩ. Jeśli wartość skuteczną napięcia na obu końcach cewki szacuje się na 5 V, strata żelaza wynosi około 1,25 mW, co również pokazuje, że im większa rezystancja utraty żelaza, tym lepiej.

7. Struktura tarczy

Struktura opakowania cewek ferrytowych obejmuje cewki nieekranowane, półekranowane klejem magnetycznym i ekranowane, a w każdym z nich występuje znaczna szczelina powietrzna. Oczywiście w szczelinie powietrznej wystąpi wyciek magnetyczny, a w najgorszym przypadku będzie zakłócał otaczające obwody małego sygnału lub jeśli w pobliżu znajduje się materiał magnetyczny, zmieni się również jego indukcyjność. Inną konstrukcją opakowania jest tłoczony induktor z proszku żelaza. Ponieważ wewnątrz cewki nie ma szczeliny, a struktura uzwojenia jest solidna, problem rozpraszania pola magnetycznego jest stosunkowo niewielki. Rysunek 10 przedstawia wykorzystanie funkcji FFT oscyloskopu RTO 1004 do pomiaru wielkości pola magnetycznego rozproszenia w odległości 3 mm powyżej i z boku wytłoczonej cewki indukcyjnej. Tabela 4 zawiera porównanie rozproszenia pola magnetycznego cewek o różnej konstrukcji obudowy. Można zauważyć, że cewki nieekranowane charakteryzują się najpoważniejszym wyciekiem magnetycznym; Tłoczone cewki mają najmniejszy wyciek magnetyczny, wykazując najlepszy efekt ekranowania magnetycznego. . Różnica w wielkości rozproszenia pola magnetycznego cewek tych dwóch konstrukcji wynosi około 14 dB, czyli prawie 5 razy.

10

Rysunek 10. Wielkość pola magnetycznego rozproszenia mierzona w odległości 3 mm nad i z boku wytłoczonej cewki indukcyjnej

(4)

Tabela 4. Porównanie rozproszenia pola magnetycznego cewek o różnej konstrukcji obudowy

8. sprzęgło

W niektórych zastosowaniach czasami na płytce drukowanej znajduje się wiele zestawów przetwornic prądu stałego, które zwykle są rozmieszczone obok siebie, a odpowiadające im cewki indukcyjne są również rozmieszczone obok siebie. Jeśli używasz typu nieekranowanego lub półekranowanego z klejem magnetycznym, cewki indukcyjne mogą być łączone ze sobą, tworząc zakłócenia EMI. Dlatego przy umieszczaniu cewki zaleca się najpierw zaznaczyć polaryzację cewki, a następnie połączyć punkt początkowy i uzwojenia najbardziej wewnętrznej warstwy cewki z napięciem przełączającym przetwornicy, takim jak VSW przetwornicy buck, który jest punktem ruchomym. Zacisk wyjściowy jest podłączony do kondensatora wyjściowego, który jest punktem statycznym; dlatego uzwojenie z drutu miedzianego tworzy pewien stopień ekranowania pola elektrycznego. W układzie okablowania multipleksera ustalenie polaryzacji indukcyjności pomaga ustalić wielkość wzajemnej indukcyjności i uniknąć nieoczekiwanych problemów z zakłóceniami elektromagnetycznymi.

Aplikacje:

W poprzednim rozdziale omówiono materiał rdzenia, strukturę opakowania i ważne właściwości elektryczne cewki indukcyjnej. W tym rozdziale wyjaśniono, jak wybrać odpowiednią wartość indukcyjności przetwornicy buck i rozważania dotyczące wyboru dostępnej na rynku cewki indukcyjnej.

Jak pokazano w równaniu (5), wartość cewki indukcyjnej i częstotliwość przełączania przetwornika będą miały wpływ na prąd tętnienia cewki (ΔiL). Prąd tętnienia cewki będzie przepływał przez kondensator wyjściowy i będzie miał wpływ na prąd tętnienia kondensatora wyjściowego. Dlatego będzie to miało wpływ na wybór kondensatora wyjściowego i dodatkowo wpłynie na wielkość tętnienia napięcia wyjściowego. Co więcej, wartość indukcyjności i wartość pojemności wyjściowej będą miały również wpływ na projekt sprzężenia zwrotnego systemu i dynamiczną reakcję obciążenia. Wybór większej wartości indukcyjności powoduje mniejsze obciążenie prądowe kondensatora, a także jest korzystny w celu zmniejszenia tętnienia napięcia wyjściowego i umożliwia magazynowanie większej ilości energii. Jednak większa wartość indukcyjności oznacza większą objętość, to znaczy wyższy koszt. Dlatego przy projektowaniu przetwornicy bardzo ważne jest obliczenie wartości indukcyjności.

(5)

Ze wzoru (5) wynika, że ​​gdy różnica między napięciem wejściowym a napięciem wyjściowym jest większa, prąd tętnienia cewki indukcyjnej będzie większy, co jest najgorszym warunkiem konstrukcji cewki indukcyjnej. W połączeniu z inną analizą indukcyjną, punkt obliczeniowy indukcyjności przetwornicy obniżającej powinien być zwykle wybierany w warunkach maksymalnego napięcia wejściowego i pełnego obciążenia.

Projektując wartość indukcyjności, konieczne jest dokonanie kompromisu pomiędzy prądem tętniącym cewki indukcyjnej a rozmiarem cewki indukcyjnej, a współczynnik prądu tętniącego (współczynnik prądu tętniącego; γ) jest tutaj zdefiniowany, jak we wzorze (6).

（6）

Podstawiając wzór (6) do wzoru (5), wartość indukcyjności można wyrazić wzorem (7).

（7）

Zgodnie ze wzorem (7), gdy różnica między napięciem wejściowym i wyjściowym jest większa, można wybrać większą wartość γ; wręcz przeciwnie, jeśli napięcie wejściowe i wyjściowe są bliżej, projekt wartości γ musi być mniejszy. Aby wybrać pomiędzy prądem tętnienia cewki indukcyjnej a jej rozmiarem, zgodnie z tradycyjnym doświadczeniem projektowym, wartość γ wynosi zwykle od 0,2 do 0,5. Poniżej przedstawiono przykład RT7276 w celu zilustrowania obliczeń indukcyjności i doboru dostępnych na rynku cewek indukcyjnych.

Przykład projektu: Zaprojektowany z zaawansowanym synchronicznym konwerterem obniżającym napięcie w trybie stałego czasu włączenia (Advanced Constant On-Time; ACOTTM) RT7276, jego częstotliwość przełączania wynosi 700 kHz, napięcie wejściowe wynosi od 4,5 V do 18 V, a napięcie wyjściowe wynosi 1,05 V . Prąd pełnego obciążenia wynosi 3A. Jak wspomniano powyżej, wartość indukcyjności należy obliczyć w warunkach maksymalnego napięcia wejściowego 18 V i pełnego obciążenia 3 A, wartość γ przyjmuje się jako 0,35 i powyższą wartość podstawiamy do równania (7), indukcyjność wartość jest

Użyj cewki o konwencjonalnej nominalnej wartości indukcyjności 1,5 µH. Zastąp wzór (5), aby obliczyć prąd tętnienia cewki indukcyjnej w następujący sposób.

Dlatego szczytowy prąd cewki indukcyjnej wynosi

A wartość skuteczna prądu cewki indukcyjnej (IRMS) wynosi

Ponieważ składowa tętnienia cewki jest mała, wartością skuteczną prądu cewki jest głównie jej składowa stała i ta wartość skuteczna stanowi podstawę doboru prądu znamionowego cewki indukcyjnej IDC. W przypadku konstrukcji obniżającej wartości znamionowe o 80% wymagania dotyczące indukcyjności są następujące:

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

Tabela 5 zawiera listę dostępnych cewek różnych serii TDK, o podobnych rozmiarach, ale różniących się konstrukcją obudowy. Z tabeli widać, że prąd nasycenia i prąd znamionowy tłoczonej cewki indukcyjnej (SPM6530T-1R5M) są duże, a opór cieplny jest mały, a rozpraszanie ciepła jest dobre. Ponadto, zgodnie z dyskusją w poprzednim rozdziale, materiałem rdzenia tłoczonej cewki indukcyjnej jest rdzeń z proszku żelaza, dlatego porównuje się go z rdzeniem ferrytowym cewek półekranowanych (VLS6045EX-1R5N) i ekranowanych (SLF7055T-1R5N) cewek z klejem magnetycznym. , Ma dobrą charakterystykę polaryzacji DC. Rysunek 11 przedstawia porównanie wydajności różnych cewek zastosowanych w zaawansowanym synchronicznym konwerterze obniżającym napięcie RT7276 o stałym czasie działania. Wyniki pokazują, że różnica w wydajności między nimi nie jest znacząca. Jeśli weźmiesz pod uwagę rozpraszanie ciepła, charakterystykę polaryzacji prądu stałego i problemy z rozpraszaniem pola magnetycznego, zaleca się stosowanie cewek indukcyjnych SPM6530T-1R5M.

（5）

Tabela 5. Porównanie indukcyjności różnych serii TDK

11

Rysunek 11. Porównanie sprawności przetwornicy z różnymi cewkami indukcyjnymi

Jeśli wybierzesz tę samą strukturę opakowania i wartość indukcyjności, ale mniejsze cewki, takie jak SPM4015T-1R5M (4,4 × 4,1 × 1,5 mm), chociaż jego rozmiar jest mały, ale rezystancja DC RDC (44,5 mΩ) i rezystancja termiczna ΘTH ( 51˚C) /W) Większy. W przypadku przekształtników o tych samych specyfikacjach wartość skuteczna prądu tolerowanego przez cewkę indukcyjną jest również taka sama. Oczywiście rezystancja prądu stałego zmniejszy wydajność pod dużym obciążeniem. Ponadto duży opór cieplny oznacza słabe odprowadzanie ciepła. Dlatego przy wyborze cewki indukcyjnej należy nie tylko wziąć pod uwagę zalety zmniejszonego rozmiaru, ale także ocenić towarzyszące mu wady.

Podsumowując

Indukcyjność jest jednym z powszechnie stosowanych elementów pasywnych w przełączalnych przetwornicach mocy, które można wykorzystać do magazynowania i filtrowania energii. Jednak przy projektowaniu obwodów należy zwrócić uwagę nie tylko na wartość indukcyjności, ale także na inne parametry, w tym rezystancję prądu przemiennego i wartość Q, tolerancję prądu, nasycenie rdzenia żelaznego, strukturę obudowy itp. należy wziąć pod uwagę przy wyborze cewki indukcyjnej. . Parametry te są zwykle związane z materiałem rdzenia, procesem produkcyjnym oraz rozmiarem i kosztem. Dlatego w tym artykule przedstawiono charakterystykę różnych materiałów rdzenia żelaznego oraz sposoby wyboru odpowiedniej indukcyjności jako punktu odniesienia przy projektowaniu zasilacza.