124

Aktualności

streszczenie

Cewki indukcyjne są bardzo ważnymi elementami w konwerterach przełączających, takich jak magazyny energii i filtry mocy. Istnieje wiele rodzajów cewek indukcyjnych, 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 indukcyjne stosowane w przekształtnikach przełączających są elementami magnetycznymi o wysokiej częstotliwości. Jednak 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 w projekcie obwodu, oprócz podstawowego parametru wartości indukcyjności, należy jeszcze uwzględnić zależność między impedancją cewki indukcyjnej a rezystancją i częstotliwością prądu przemiennego, stratą rdzenia i charakterystyką prądu nasycenia itp. W tym artykule przedstawimy kilka ważnych materiałów na rdzeń induktora i ich właściwości, a także poprowadzi energetyków do wyboru dostępnych na rynku standardowych induktorów.

Przedmowa

Induktor to element indukcyjny elektromagnetyczny, który powstaje przez nawinięcie pewnej liczby cewek (cewki) na szpulkę 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 generuje zmienne pole magnetyczne poprzez prąd zmienny, indukowane napięcie zostanie wygenerowane, aby oprzeć się zmianie pierwotnego pola magnetycznego, a ta cecha powstrzymywania obecnej zmiany nazywana jest indukcyjnością.

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

图片1

(1)

W zależności od kształtu rdzenia żelaznego indukcyjność obejmuje rdzeń toroidalny, rdzeń E i bęben; jeśli chodzi o materiał rdzenia żelaznego, istnieją głównie rdzeń ceramiczny i dwa miękkie typy magnetyczne. Są to proszek ferrytowy i metaliczny. W zależności od konstrukcji lub sposobu pakowania druty są nawijane, wielowarstwowe, formowane, a nawinięty jest drut nieekranowany i połówka kleju magnetycznego. Ekranowany (półekranowany) i ekranowany (ekranowany) itp.

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

W tym artykule przedstawimy różne materiały rdzenia cewek indukcyjnych i ich charakterystykę, a także niektóre charakterystyki elektryczne cewek indukcyjnych, jako ważne odniesienie do oceny przy wyborze cewek indukcyjnych podczas projektowania obwodu. W przykładzie zastosowania, jak obliczyć wartość indukcyjności i jak wybrać dostępny na rynku standardowy wzbudnik zostanie przedstawiony na praktycznych przykładach.

Rodzaj materiału rdzenia

Cewki indukcyjne stosowane w przekształtnikach przełączających są elementami magnetycznymi o wysokiej częstotliwości. Materiał rdzenia w środku najbardziej wpływa na właściwości cewki indukcyjnej, takie jak impedancja i częstotliwość, wartość i częstotliwość indukcyjności lub charakterystyka nasycenia rdzenia. Poniżej przedstawiono porównanie kilku popularnych materiałów rdzenia żelaznego i ich charakterystyk nasycenia jako ważnego odniesienia 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. Jest również nazywany „cewnikiem rdzenia powietrznego”. Ponieważ zastosowany rdzeń żelazny jest materiałem niemagnetycznym o bardzo niskim współczynniku temperaturowym, wartość indukcyjności jest bardzo stabilna w zakresie temperatur pracy. Jednak ze względu na materiał niemagnetyczny jako medium, indukcyjność jest bardzo niska, co nie jest odpowiednie do zastosowania przekształtników mocy.

2. Ferryt

Rdzeń ferrytowy stosowany w ogólnych cewkach indukcyjnych wysokiej częstotliwości jest związkiem ferrytowym zawierającym cynk niklowy (NiZn) lub cynk manganowy (MnZn), który jest miękkim magnetycznym materiałem ferromagnetycznym o niskiej koercji. Rysunek 1 przedstawia krzywą histerezy (pętla BH) ogólnego rdzenia magnetycznego. Siła koercji HC materiału magnetycznego jest również nazywana siłą koercji, co oznacza, że ​​gdy materiał magnetyczny został namagnesowany do nasycenia magnetycznego, jego namagnesowanie (namagnesowanie) zostaje zredukowane do zera. Wymagana w danym momencie siła pola magnetycznego. Niższa koercja oznacza mniejszą odporność na rozmagnesowanie, a także oznacza mniejszą utratę 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 ​​rdzeń żelazny jest wyższy w określonej objętości. Indukcyjność. Jednak wadą jest to, że tolerowany prąd nasycenia jest niski, a po nasyceniu żelaznego rdzenia przepuszczalność magnetyczna gwałtownie spadnie. Na rysunku 4 przedstawiono tendencję spadkową przenikalności magnetycznej rdzeni ferrytowych i proszkowych, gdy rdzeń żelazny jest nasycony. Porównanie. W przypadku zastosowania w cewkach indukcyjnych w głównym obwodzie magnetycznym pozostanie szczelina powietrzna, co może zmniejszyć przepuszczalność, uniknąć nasycenia i zmagazynować więcej energii; gdy uwzględniona jest szczelina powietrzna, równoważna przepuszczalność względna może wynosić około 20-Między 200. Ponieważ wysoka rezystywność samego materiału może zmniejszyć straty spowodowane przez prądy wirowe, straty są niższe przy wysokich częstotliwościach i są bardziej odpowiednie dla transformatory wysokiej częstotliwości, cewki filtrujące EMI i cewki magazynujące energię w przekształtnikach mocy. Pod względem częstotliwości roboczej ferryt niklowo-cynkowy nadaje się do zastosowania (>1 MHz), natomiast ferryt manganowo-cynkowy nadaje się do niższych pasm częstotliwości (<2 MHz).

图片2         1

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

3. Rdzeń z żelaza proszkowego

Rdzenie proszkowe są również miękkimi materiałami ferromagnetycznymi. Wykonane są ze stopów sproszkowanego żelaza z różnych materiałów lub tylko z sproszkowanego żelaza. Formuła zawiera materiały niemagnetyczne o różnej wielkości cząstek, dzięki czemu krzywa nasycenia jest stosunkowo łagodna. Rdzeń z proszkowego żelaza jest w większości toroidalny. Rysunek 2 przedstawia rdzeń z proszkowego żelaza i jego przekrój.

Popularne sproszkowane rdzenie żelazne obejmują stop żelazo-nikiel-molibden (MPP), sendust (Sendust), stop żelazo-nikiel (wysoki strumień) i rdzeń z proszku żelaza (sproszkowane żelazo). Ze względu na różne komponenty różnią się również jego charakterystyką i ceną, co wpływa na dobór cewek. Poniżej przedstawimy wyżej wymienione typy rdzeni i porównamy ich cechy:

A. Stop żelazo-nikiel-molibden (MPP)

Stop Fe-Ni-Mo jest skrótem MPP, co jest skrótem od proszku molibdenu. Przepuszczalność względna wynosi około 14-500, a gęstość strumienia magnetycznego nasycenia wynosi około 7500 Gaussów, czyli jest wyższa niż gęstość strumienia magnetycznego nasycenia ferrytu (około 4000-5000 Gaussów). Wielu się. MPP ma najmniejszą stratę żelaza i ma najlepszą stabilność temperaturową wśród rdzeni proszkowych. Gdy zewnętrzny prąd stały osiąga prąd nasycenia ISAT, wartość indukcyjności spada powoli bez gwałtownego tłumienia. MPP ma lepszą wydajność, ale wyższy koszt i jest zwykle używany jako cewka indukcyjna i filtrowanie EMI w konwerterach mocy.

 

B. Sendust

Rdzeń żelazny ze stopu żelazo-krzem-aluminium jest rdzeniem ze stopu żelaza, składającym się z żelaza, krzemu i aluminium, o względnej przepuszczalności magnetycznej około 26 do 125. Strata żelaza znajduje się między rdzeniem z proszku żelaza a MPP i stopem żelazo-nikiel . Gęstość strumienia magnetycznego nasycenia jest wyższa niż MPP, około 10500 Gaussów. Stabilność temperaturowa i charakterystyka prądu nasycenia są nieco gorsze niż MPP i stopu żelazo-nikiel, ale lepsze niż rdzeń z proszku żelaza i rdzeń ferrytowy, a względny koszt jest tańszy niż MPP i stop żelazo-nikiel. Stosowany jest głównie w filtrowaniu EMI, obwodach korekcji współczynnika mocy (PFC) i cewkach indukcyjnych przełączających przekształtników mocy.

 

C. Stop żelaza i niklu (wysoki strumień)

Rdzeń ze stopu żelaza i niklu jest wykonany z żelaza i niklu. Względna przenikalność magnetyczna wynosi około 14-200. Strata żelaza i stabilność temperatury są pomiędzy MPP a stopem żelazo-krzem-aluminium. Rdzeń ze stopu żelaza i niklu ma najwyższą gęstość strumienia magnetycznego nasycenia, około 15 000 Gaussów, i może wytrzymać wyższe prądy polaryzacji DC, a jego charakterystyka polaryzacji DC jest również lepsza. Zakres zastosowania: Aktywna korekcja współczynnika mocy, indukcyjność magazynowania energii, indukcyjność filtra, transformator wysokiej częstotliwości konwertera flyback itp.

 

D. Proszek żelaza

Rdzeń proszku żelaza jest wykonany z cząstek proszku żelaza o wysokiej czystości z bardzo małymi cząstkami, które są izolowane od siebie. Proces produkcyjny sprawia, że ​​ma rozproszoną szczelinę powietrzną. Oprócz kształtu pierścienia, typowe kształty rdzenia z proszku żelaza mają również typy typu E i tłoczenia. Względna przenikalność magnetyczna rdzenia z proszku żelaza wynosi około 10 do 75, a gęstość strumienia magnetycznego przy wysokim nasyceniu wynosi około 15000 Gaussów. Wśród rdzeni z proszków żeliwnych rdzeń z proszków żelaza ma największą utratę żelaza, ale najniższy koszt.

Figura 3 przedstawia krzywe BH ferrytu manganowo-cynkowego PC47 produkowanego przez TDK oraz rdzeni ze sproszkowanego żelaza -52 i -2 produkowanych przez MICROMETALS; Względna przenikalność magnetyczna ferrytu manganowo-cynkowego jest znacznie wyższa niż w przypadku rdzeni ze sproszkowanego żelaza i jest nasycony. Indukcja magnetyczna jest również bardzo różna, ferryt ma około 5000 Gaussów, a rdzeń z proszku żelaza ma ponad 10000 Gaussów.

图片3   3

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

 

Podsumowując, charakterystyka nasycenia rdzenia żelaznego jest inna; po przekroczeniu prądu nasycenia przepuszczalność magnetyczna rdzenia ferrytowego gwałtownie spadnie, podczas gdy rdzeń z proszku żelaza może powoli się zmniejszać. Rysunek 4 przedstawia charakterystykę spadku przepuszczalności magnetycznej rdzenia proszkowego żelaza o tej samej przepuszczalności magnetycznej i ferrytu ze szczeliną powietrzną przy różnych natężeniach pola magnetycznego. Wyjaśnia to 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, przepuszczalność magnetyczna Szybkość maleje powoli, gdy rdzeń żelazny jest nasycony, więc indukcyjność zmniejsza się delikatniej, to znaczy ma lepszą charakterystykę polaryzacji prądu stałego. W zastosowaniach przekształtników mocy ta cecha jest bardzo ważna; jeśli powolna charakterystyka nasycenia cewki indukcyjnej nie jest dobra, prąd cewki indukcyjnej wzrasta do prądu nasycenia, a nagły spadek indukcyjności spowoduje gwałtowne naprężenie prądu kryształu przełączającego, co łatwo spowodować uszkodzenie.

图片3    4

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

 

Charakterystyka elektryczna cewki indukcyjnej i struktura opakowania

Podczas projektowania konwertera przełączającego i doboru cewki indukcyjnej, wartość indukcyjności L, impedancja Z, rezystancja AC ACR i wartość Q (współczynnik jakości), prąd znamionowy IDC i ISAT oraz straty rdzenia (straty rdzenia) i inne ważne parametry elektryczne są konieczne uznać. Ponadto struktura opakowania cewki indukcyjnej wpłynie na wielkość wycieku magnetycznego, co z kolei wpływa na EMI. Poniżej omówiono wyżej wymienione cechy osobno jako rozważania dotyczące wyboru cewek indukcyjnych.

1. Wartość indukcyjności (L)

Wartość indukcyjności cewki indukcyjnej jest najważniejszym podstawowym parametrem w projektowaniu obwodów, ale należy sprawdzić, czy wartość indukcyjności jest stabilna przy częstotliwości roboczej. Nominalna wartość indukcyjności jest zwykle mierzona 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 jest wykresem charakterystyki indukcyjno-częstotliwościowej cewki indukcyjnej Taiyo Yuden NR4018T220M zmierzonej miernikiem LCR Wayne'a Kerra. Jak pokazano na rysunku, krzywa wartości indukcyjności jest stosunkowo płaska przed 5 MHz, a wartość indukcyjności można prawie uznać za stałą. W paśmie wysokich częstotliwości z powodu 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.

图片5  5

Rysunek 5, wykres pomiaru charakterystyki indukcyjno-częstotliwościowej Taiyo Yuden NR4018T220M

 

2. Impedancja (Z)

Jak pokazano na rysunku 6, wykres impedancji można również zobaczyć na podstawie wydajności indukcyjności przy różnych częstotliwościach. Impedancja cewki indukcyjnej jest w przybliżeniu proporcjonalna do częstotliwości (Z=2πfL), więc im wyższa częstotliwość, 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 punkt częstotliwości rezonansu własnego impedancji. Po tym punkcie impedancja spada i staje się pojemnościowa, a faza stopniowo zmienia się na -90 ˚.

图片6  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).

图片7

(2)

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

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 wynikający z efektu naskórkowości (efekt naskórkowości) i efektu bliskości (bliskości) Efekt staje się coraz większy, a wartość Q wciąż rośnie wraz z częstotliwością ; zbliżając się do SRF, reaktancja indukcyjna jest stopniowo kompensowana przez reaktancję pojemnościową, a wartość Q stopniowo staje się mniejsza; kiedy SRF staje się zero, ponieważ reaktancja indukcyjna i reaktancja pojemnościowa są całkowicie takie same znikają. Rysunek 7 pokazuje zależność między wartością Q a częstotliwością NR4018T220M, a zależność ta ma kształt odwróconego dzwonu.

图片8  7

Rysunek 7. Zależność między wartością Q a częstotliwością cewki Taiyo Yuden NR4018T220M

W paśmie częstotliwości aplikacji 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. Jednak generalnie wraz ze wzrostem odchylenia DC, wartość indukcyjności zmniejszy się, a wartość Q również zmniejszy się. Jeśli stosuje się płaski drut emaliowany lub wielożyłowy drut emaliowany, można zmniejszyć efekt naskórkowości, czyli rezystancję prądu przemiennego, a także zwiększyć wartość Q cewki indukcyjnej.

Rezystancja DCR DCR jest ogólnie uważana za rezystancję DC drutu miedzianego, a rezystancję można obliczyć na podstawie średnicy i długości drutu. Jednak większość niskoprądowych cewek SMD wykorzystuje zgrzewanie ultradźwiękowe, aby wykonać blachę miedzianą SMD na zacisku uzwojenia. Jednakże, ponieważ drut miedziany nie jest długi, a wartość rezystancji nie jest wysoka, rezystancja spawania często stanowi znaczną część całkowitej rezystancji prądu stałego. Na przykładzie cewki indukcyjnej SMD firmy TDK CLF6045NIT-1R5N zmierzona rezystancja DC wynosi 14,6 mΩ, a rezystancja DC obliczona na podstawie średnicy i długości drutu wynosi 12,1 mΩ. Wyniki pokazują, że ta rezystancja spawania stanowi około 17% całkowitej rezystancji prądu stałego.

Odporność na prąd zmienny ACR ma efekt naskórkowy i efekt zbliżeniowy, co powoduje wzrost ACR wraz z częstotliwością; w zastosowaniu ogólnej indukcyjności, ponieważ składowa AC jest znacznie niższa niż składowa DC, wpływ powodowany przez ACR nie jest oczywisty; ale przy małym obciążeniu, ponieważ składnik DC jest zmniejszony, straty spowodowane przez ACR nie mogą być ignorowane. Efekt naskórkowości oznacza, że ​​w warunkach AC rozkład prądu wewnątrz przewodnika jest nierównomierny i skoncentrowany na powierzchni drutu, co powoduje zmniejszenie równoważnego pola przekroju poprzecznego drutu, co z kolei zwiększa równoważną rezystancję drutu przy częstotliwość. Ponadto w uzwojeniu drutu sąsiednie druty będą powodować dodawanie i odejmowanie pól magnetycznych od prądu, tak że prąd koncentruje się na powierzchni sąsiadującej z drutem (lub najdalszej powierzchni, w zależności od kierunku prądu ), co powoduje również równoważne przechwytywanie przewodów. Zjawisko zmniejszania się powierzchni i wzrostu równoważnego oporu to tzw. efekt bliskości; w zastosowaniu indukcyjności uzwojenia wielowarstwowego efekt zbliżeniowy jest jeszcze bardziej oczywisty.

图片9  8

Rysunek 8 pokazuje zależność między rezystancją prądu przemiennego a częstotliwością cewki indukcyjnej SMD drutowej NR4018T220M. Przy częstotliwości 1kHz rezystancja wynosi około 360mΩ; przy 100kHz rezystancja wzrasta do 775mΩ; przy 10MHz wartość rezystancji jest bliska 160Ω. Podczas szacowania utraty miedzi w obliczeniach należy wziąć pod uwagę współczynnik ACR spowodowany efektem naskórkowości i bliskości i zmodyfikować go do wzoru (3).

4. Prąd nasycenia (ISAT)

Prąd nasycenia ISAT to generalnie 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 wytłoczona cewka indukcyjna), 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 osobno dla dwóch rodzajów rdzeni żelaznych w następujący sposób.

W przypadku ferrytu z przerwą powietrzną rozsądne jest użycie ISAT jako górnej granicy maksymalnego prądu cewki indukcyjnej w zastosowaniach obwodów. Jeśli jednak jest to rdzeń z proszku żelaznego, ze względu na powolną charakterystykę nasycenia, nie będzie problemu nawet wtedy, gdy maksymalny prąd obwodu aplikacji przekroczy ISAT. Dlatego ta charakterystyka żelaznego rdzenia jest najbardziej odpowiednia dla zastosowań konwerterów przełączających. Przy dużym obciążeniu, chociaż wartość indukcyjności cewki indukcyjnej jest niska, jak pokazano na rysunku 9, współczynnik tętnienia prądu jest wysoki, ale tolerancja prądu kondensatora prądu jest wysoka, więc nie będzie to problemem. Przy małym obciążeniu wartość indukcyjności cewki indukcyjnej jest większa, co pomaga zmniejszyć prąd tętnienia cewki indukcyjnej, zmniejszając w ten sposób utratę żelaza. Rysunek 9 porównuje krzywą prądu nasycenia uzwojonego ferrytu SLF7055T1R5N firmy TDK i tłoczonego rdzenia indukcyjnego z proszkowego żelaza SPM6530T1R5M przy tej samej nominalnej wartości indukcyjności.

图片9   9

Rysunek 9. Krzywa prądu nasycenia rdzenia ferrytowego nawijanego i wytłoczonego proszku żelaznego przy tej samej nominalnej wartości indukcyjności

5. Prąd znamionowy (IDC)

Wartość IDC to odchylenie prądu stałego, gdy temperatura cewki indukcyjnej wzrasta do Tr˚C. Specyfikacje wskazują również jego wartość rezystancji DC RDC w 20˚C. Zgodnie ze współczynnikiem temperaturowym drutu miedzianego wynosi około 3930 ppm, gdy temperatura Tr rośnie, jego rezystancja wynosi RDC_Tr = RDC (1+0,00393Tr), a pobór mocy PCU = I2DCxRDC. Ta strata miedzi jest rozpraszana na powierzchni cewki indukcyjnej, a opór cieplny ΘTH cewki indukcyjnej można obliczyć:

图片13(2)

Tabela 2 odnosi się do arkusza danych serii TDK VLS6045EX (6,0×6,0×4,5mm) i oblicza opór cieplny przy wzroście temperatury o 40˚C. Oczywiście dla cewek indukcyjnych tej samej serii i wielkości obliczony opór cieplny jest prawie taki sam ze względu na ten sam obszar rozpraszania ciepła; innymi słowy, można oszacować prąd znamionowy IDC różnych cewek indukcyjnych. Różne serie (pakiety) wzbudników mają różną rezystancję cieplną. W tabeli 3 porównano rezystancję termiczną cewek indukcyjnych serii TDK VLS6045EX (półekranowane) i serii SPM6530 (formowane). Im większa rezystancja termiczna, tym wyższy wzrost temperatury generowany, gdy indukcyjność przepływa przez prąd obciążenia; w przeciwnym razie niższy.

图片14  (2)

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

Z tabeli 3 widać, że nawet jeśli rozmiar cewek indukcyjnych jest podobny, rezystancja cieplna wytłoczonych cewek indukcyjnych jest niska, to znaczy rozpraszanie ciepła jest lepsze.

图片15  (3)

Tabela 3. Porównanie rezystancji termicznej różnych wzbudników opakowaniowych.

 

6. Utrata rdzenia

Utrata rdzenia, określana jako utrata żelaza, jest spowodowana głównie utratą prądów wirowych i utratą histerezy. Wielkość strat prądów wirowych zależy głównie od tego, czy materiał rdzenia jest łatwy do „przeprowadzenia”; jeśli przewodność jest wysoka, to znaczy rezystywność jest niska, strata na prąd wirowy jest wysoka, a jeśli rezystywność ferrytu jest wysoka, strata na prąd wirowy jest stosunkowo niska. Strata prądów wirowych jest również związana z częstotliwością. Im wyższa częstotliwość, tym większa strata prądów wirowych. 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 przekroczy tę częstotliwość, strata prądu wirowego gwałtownie wzrośnie, a temperatura rdzenia żelaza 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 objętego krzywą histerezy, która jest związana z amplitudą wahań składowej prądu przemiennego; im większe wahanie AC, tym większa utrata histerezy.

W zastępczym obwodzie cewki indukcyjnej rezystor połączony równolegle z cewką indukcyjną jest często używany do wyrażania utraty żelaza. Gdy częstotliwość jest równa SRF, reaktancja indukcyjna i reaktancja pojemnościowa znoszą się, a reaktancja równoważna wynosi zero. W tej chwili impedancja cewki indukcyjnej jest równoważna rezystancji strat żelaza szeregowo z rezystancją uzwojenia, a rezystancja strat żelaza jest znacznie większa niż rezystancja uzwojenia, więc Impedancja w SRF jest w przybliżeniu równa rezystancji strat żelaza. Biorąc jako przykład cewkę niskonapięciową, jej rezystancja strat w żelazie wynosi około 20 kΩ. Jeśli efektywna wartość napięcia na obu końcach cewki indukcyjnej jest szacowana na 5 V, jej straty w żelazie wynoszą około 1,25 mW, co pokazuje również, że im większa rezystancja strat w żelazie, tym lepiej.

7. Struktura tarczy

Struktura opakowania cewek ferrytowych obejmuje elementy nieekranowane, częściowo ekranowane klejem magnetycznym i ekranowane, aw każdym z nich występuje znaczna szczelina powietrzna. Oczywiście szczelina powietrzna będzie miała wyciek magnetyczny, aw najgorszym przypadku będzie zakłócać otaczające małe obwody sygnałowe lub jeśli w pobliżu znajduje się materiał magnetyczny, jego indukcyjność również zostanie zmieniona. Inną konstrukcją opakowania jest tłoczony induktor proszku żelaza. Ponieważ wewnątrz cewki nie ma szczeliny, a uzwojenie jest solidne, problem rozpraszania pola magnetycznego jest stosunkowo niewielki. Rysunek 10 przedstawia wykorzystanie funkcji FFT oscyloskopu RTO 1004 do pomiaru wielkości pola magnetycznego wycieku na 3 mm powyżej i z boku wytłoczonej cewki indukcyjnej. W tabeli 4 przedstawiono porównanie pola magnetycznego rozproszenia różnych cewek indukcyjnych o strukturze obudowy. Można zauważyć, że cewki nieekranowane mają najpoważniejszy wyciek magnetyczny; wytłoczone cewki indukcyjne mają najmniejszy wyciek magnetyczny, wykazując najlepszy efekt ekranowania magnetycznego. . Różnica w wielkości pola magnetycznego rozproszenia cewek indukcyjnych tych dwóch struktur wynosi około 14dB, czyli prawie 5 razy.

10图片16

Rysunek 10. Wielkość pola magnetycznego wycieku mierzona 3 mm powyżej i z boku wytłoczonej cewki indukcyjnej

图片17 (4)

Tabela 4. Porównanie pola magnetycznego rozproszenia wzbudników o różnej strukturze obudowy

8. sprzęgło

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

Aplikacje:

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

Jak pokazano w równaniu (5), wartość cewki i częstotliwość przełączania przekształtnika będą miały wpływ na prąd tętnienia cewki (ΔiL). Prąd tętnienia cewki indukcyjnej przepływa przez kondensator wyjściowy i wpływa na prąd tętnienia kondensatora wyjściowego. Dlatego wpłynie to na wybór kondensatora wyjściowego i dodatkowo wpłynie na wielkość tętnień napięcia wyjściowego. Ponadto wartość indukcyjności i wartość pojemności wyjściowej wpłyną również na projekt sprzężenia zwrotnego systemu i dynamiczną odpowiedź obciążenia. Wybranie większej wartości indukcyjności powoduje mniejsze obciążenie prądowe kondensatora, a także jest korzystne dla zmniejszenia tętnienia napięcia wyjściowego i może magazynować więcej energii. Jednak większa wartość indukcyjności wskazuje na większą objętość, czyli wyższy koszt. Dlatego przy projektowaniu przetwornika bardzo ważne jest zaprojektowanie wartości indukcyjności.

图片18        (5)

Ze wzoru (5) wynika, że ​​gdy różnica między napięciem wejściowym a wyjściowym jest większa, prąd tętnienia cewki będzie większy, co jest najgorszym stanem konstrukcji cewki indukcyjnej. W połączeniu z innymi analizami indukcyjnymi, punkt projektowy indukcyjności przekształtnika obniżającego powinien być zwykle wybierany w warunkach maksymalnego napięcia wejściowego i pełnego obciążenia.

Projektując wartość indukcyjności, należy dokonać kompromisu między prądem tętnienia cewki a wielkością cewki, a współczynnik prądu tętnienia (współczynnik prądu tętnienia; γ) jest tutaj zdefiniowany, jak we wzorze (6).

图片19(6)

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

图片20  (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 bliższe, projekt wartości γ musi być mniejszy. Aby wybrać między prądem tętnienia cewki indukcyjnej a wielkością, zgodnie z tradycyjną wartością doświadczenia projektowego, γ wynosi zwykle od 0,2 do 0,5. Poniżej przedstawiono przykład RT7276 ilustrujący obliczanie indukcyjności i wybór dostępnych na rynku cewek indukcyjnych.

Przykład projektu: Zaprojektowany z zaawansowanym synchronicznym konwerterem step-down RT7276 o stałym czasie działania (Advanced Constant On-Time; ACOTTM), 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 zaprojektować w warunkach maksymalnego napięcia wejściowego 18V i pełnego obciążenia 3A, wartość γ przyjmuje się jako 0,35, a powyższą wartość zastępuje się równaniem (7), indukcyjność wartosc jest

图片21

 

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

图片22

Dlatego szczytowy prąd cewki indukcyjnej wynosi

图片23

A efektywna wartość prądu cewki indukcyjnej (IRMS) wynosi

图片24

Ponieważ składowa tętnienia cewki indukcyjnej jest mała, efektywna wartość prądu cewki jest głównie jej składową stałą i ta wartość efektywna jest używana jako podstawa do wyboru prądu znamionowego cewki IDC. Przy 80% obniżaniu wartości znamionowych (obniżaniu wartości znamionowych) wymagania dotyczące indukcyjności są następujące:

 

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

 

W tabeli 5 wymieniono dostępne cewki indukcyjne z różnych serii TDK, podobnych pod względem wielkości, ale różniących się strukturą opakowania. Z tabeli widać, że prąd nasycenia i prąd znamionowy wytłoczonej cewki indukcyjnej (SPM6530T-1R5M) są duże, a rezystancja cieplna niewielka, a odprowadzanie ciepła dobre. Ponadto, zgodnie z dyskusją w poprzednim rozdziale, materiałem rdzenia wytłoczonego elementu indukcyjnego jest rdzeń z proszku żelaza, więc jest on porównywany z rdzeniem ferrytowym cewek półekranowanych (VLS6045EX-1R5N) i ekranowanych (SLF7055T-1R5N). z klejem magnetycznym. , Ma dobrą charakterystykę polaryzacji prądu stałego. Rysunek 11 przedstawia porównanie wydajności różnych cewek indukcyjnych zastosowanych do zaawansowanego synchronicznego konwertera step-down prostownika RT7276 o stałym czasie działania. Wyniki pokazują, że różnica wydajności między tymi trzema nie jest znacząca. Jeśli bierzesz pod uwagę rozpraszanie ciepła, charakterystykę polaryzacji prądu stałego i problemy z rozpraszaniem pola magnetycznego, zaleca się stosowanie cewek indukcyjnych SPM6530T-1R5M.

图片25(5)

Tabela 5. Porównanie indukcyjności różnych serii TDK

图片26 11

Rysunek 11. Porównanie sprawności konwertera z różnymi cewkami

Jeśli wybierzesz tę samą strukturę opakowania i wartość indukcyjności, ale mniejsze cewki indukcyjne, 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) Większe. W przypadku przetworników o tych samych specyfikacjach efektywna wartość prądu tolerowanego przez cewkę jest również taka sama. Oczywiście rezystancja DC zmniejszy wydajność przy dużym obciążeniu. 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 niedociągnięcia.

 

Podsumowując

Indukcyjność jest jednym z powszechnie stosowanych elementów pasywnych w przełączaniu przekształtników mocy, które mogą być wykorzystywane do magazynowania i filtrowania energii. Jednak w projektowaniu obwodów należy zwrócić uwagę nie tylko na wartość indukcyjności, ale inne parametry, w tym rezystancję prądu przemiennego i wartość Q, tolerancję prądu, nasycenie rdzenia żelaznego i strukturę pakietu 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 i jak wybrać odpowiednią indukcyjność jako odniesienie do projektu zasilacza.

 


Czas publikacji: 15 czerwca-2021