vijesti

Sažetak

Induktori su vrlo važne komponente u sklopnim pretvaračima, kao što su pohrana energije i filtri za napajanje. Postoje mnoge vrste induktora, kao što su za različite primjene (od niske frekvencije do visoke frekvencije), ili različiti materijali jezgre koji utječu na karakteristike induktora, i tako dalje. Induktori koji se koriste u sklopnim pretvaračima su visokofrekventne magnetske komponente. Međutim, zbog različitih čimbenika kao što su materijali, radni uvjeti (kao što su napon i struja) i temperatura okoline, predstavljene karakteristike i teorije prilično su različite. Stoga se u dizajnu strujnog kruga, osim osnovnog parametra vrijednosti induktiviteta, još uvijek mora uzeti u obzir odnos između impedancije induktora i izmjeničnog otpora i frekvencije, gubitak jezgre i karakteristike struje zasićenja itd. Ovaj će članak predstaviti nekoliko važnih materijala jezgre induktora i njihove karakteristike, a također će uputiti inženjere energetike da odaberu komercijalno dostupne standardne induktore.

Predgovor

Induktor je komponenta elektromagnetske indukcije, koja nastaje namotavanjem određenog broja zavojnica (zavojnica) na špulicu ili jezgru s izoliranom žicom. Ova zavojnica se naziva induktivna zavojnica ili induktor. Prema načelu elektromagnetske indukcije, kada se zavojnica i magnetsko polje pomiču jedno u odnosu na drugo, ili zavojnica generira izmjenično magnetsko polje kroz izmjeničnu struju, inducirani napon će se generirati da se odupre promjeni izvornog magnetskog polja, a ova karakteristika obuzdavanja promjene struje naziva se induktivitet.

Formula vrijednosti induktiviteta je kao formula (1), koja je proporcionalna magnetskoj propusnosti, kvadratu zavoja namota N i površini poprečnog presjeka ekvivalentnog magnetskog kruga Ae, a obrnuto je proporcionalna ekvivalentnoj duljini magnetskog kruga le . Postoje mnoge vrste induktivnosti, svaka prikladna za različite primjene; induktivitet je povezan s oblikom, veličinom, načinom namotavanja, brojem zavoja i vrstom međumagnetskog materijala.

(1)

Ovisno o obliku željezne jezgre, induktivitet uključuje toroidalnu, E jezgru i bubanj; što se tiče materijala željezne jezgre, uglavnom postoje keramičke jezgre i dvije meke magnetske vrste. Oni su ferit i metalni prah. Ovisno o strukturi ili načinu pakiranja, postoje namotane žice, višeslojne i lijevane, a namotana žica ima nezaštićene i pola magnetskog ljepila Oklopljene (poluzaštićene) i oklopljene (oklopljene), itd.

Induktor djeluje poput kratkog spoja u istosmjernoj struji i predstavlja visoku impedanciju izmjeničnoj struji. Osnovna upotreba u krugovima uključuje gušenje, filtriranje, ugađanje i pohranu energije. U primjeni sklopnog pretvarača, induktor je najvažnija komponenta za pohranu energije i tvori niskopropusni filtar s izlaznim kondenzatorom za smanjenje valovitosti izlaznog napona, tako da također igra važnu ulogu u funkciji filtriranja.

Ovaj će članak predstaviti različite materijale jezgre induktora i njihove karakteristike, kao i neke od električnih karakteristika induktora, kao važnu ocjensku referencu za odabir induktora tijekom projektiranja kruga. U primjeru primjene, kroz praktične primjere bit će predstavljeno kako izračunati vrijednost induktiviteta i kako odabrati komercijalno dostupan standardni induktor.

Vrsta materijala jezgre

Induktori koji se koriste u sklopnim pretvaračima su visokofrekventne magnetske komponente. Materijal jezgre u središtu najviše utječe na karakteristike induktora, kao što su impedancija i frekvencija, vrijednost induktiviteta i frekvencija ili karakteristike zasićenja jezgre. Sljedeće će uvesti usporedbu nekoliko uobičajenih materijala željezne jezgre i njihove karakteristike zasićenja kao važnu referencu za odabir energetskih induktora:

1. Keramička jezgra

Keramička jezgra je jedan od uobičajenih induktivnih materijala. Uglavnom se koristi za pružanje potporne strukture koja se koristi prilikom namatanja zavojnice. Također se naziva "induktor zračne jezgre". Budući da je korištena željezna jezgra nemagnetski materijal s vrlo niskim temperaturnim koeficijentom, vrijednost induktiviteta je vrlo stabilna u rasponu radne temperature. Međutim, zbog nemagnetskog materijala kao medija, induktivitet je vrlo nizak, što nije baš prikladno za primjenu pretvarača snage.

2. Ferit

Feritna jezgra koja se koristi u općim visokofrekventnim induktorima je feritni spoj koji sadrži nikal-cink (NiZn) ili mangan-cink (MnZn), koji je meki magnetski feromagnetski materijal s niskom koercitivnošću. Slika 1 prikazuje krivulju histereze (BH petlja) opće magnetske jezgre. Koercitivna sila HC magnetskog materijala naziva se i koercitivna sila, što znači da kada je magnetski materijal magnetiziran do magnetskog zasićenja, njegova magnetizacija (magnetizacija) se smanjuje na nulu Potrebna jakost magnetskog polja u to vrijeme. Niža koercitivnost znači manji otpor demagnetizaciji i također znači manji gubitak histereze.

Feriti mangan-cink i nikal-cink imaju relativno visoku relativnu permeabilnost (μr), oko 1500-15000 odnosno 100-1000. Njihova visoka magnetska propusnost čini željeznu jezgru višom u određenom volumenu. Induktivitet. Međutim, nedostatak je to što je njegova tolerantna struja zasićenja niska, a kada je željezna jezgra zasićena, magnetska permeabilnost će naglo pasti. Pogledajte sliku 4 za opadajući trend magnetske permeabilnosti feritnih i željeznih jezgri u prahu kada je željezna jezgra zasićena. Usporedba. Kada se koristi u energetskim induktorima, u glavnom magnetskom krugu ostat će zračni raspor, što može smanjiti propusnost, izbjeći zasićenje i pohraniti više energije; kada je uključen zračni raspor, ekvivalentna relativna propusnost može biti oko 20- Između 200. Budući da visoka otpornost samog materijala može smanjiti gubitke uzrokovane vrtložnim strujama, gubici su niži na visokim frekvencijama i prikladniji su za visokofrekventni transformatori, EMI filter induktori i induktori za pohranu energije energetskih pretvarača. Što se tiče radne frekvencije, nikal-cink ferit je prikladan za korištenje (>1 MHz), dok je mangan-cink ferit prikladan za niže frekvencijske pojaseve (<2 MHz).

1

Slika 1. Krivulja histereze magnetske jezgre (BR: remanencija; BSAT: gustoća magnetskog toka zasićenja)

3. Jezgra od željeza u prahu

Željezne jezgre u prahu također su meki magnetski feromagnetski materijali. Izrađuju se od legura željeznog praha različitih materijala ili samo od željeznog praha. Formula sadrži nemagnetske materijale s različitim veličinama čestica, tako da je krivulja zasićenja relativno blaga. Jezgra željeznog praha uglavnom je toroidalna. Slika 2 prikazuje jezgru željeznog praha i njen presjek.

Uobičajene željezne jezgre u prahu uključuju leguru željezo-nikal-molibden (MPP), sendust (Sendust), leguru željezo-nikl (visoki fluks) i jezgru željeznog praha (željezni prah). Zbog različitih komponenti različite su mu karakteristike i cijene, što utječe na izbor induktora. Sljedeće će predstaviti gore navedene vrste jezgri i usporediti njihove karakteristike:

A. Legura željezo-nikal-molibden (MPP)

Fe-Ni-Mo legura je skraćeno MPP, što je skraćenica od molypermalloy powder. Relativna permeabilnost je oko 14-500, a gustoća magnetskog toka zasićenja je oko 7500 Gaussa (Gauss), što je više od gustoće magnetskog toka zasićenja ferita (oko 4000-5000 Gaussa). Mnogi vani. MPP ima najmanji gubitak željeza i ima najbolju temperaturnu stabilnost među željeznim jezgrama u prahu. Kada vanjska istosmjerna struja dosegne struju zasićenja ISAT, vrijednost induktiviteta polako opada bez naglog slabljenja. MPP ima bolje performanse, ali veću cijenu, i obično se koristi kao induktor snage i EMI filtriranje za pretvarače energije.

B. Sendust

Željezna jezgra od legure željezo-silicij-aluminij je jezgra od legure željeza sastavljena od željeza, silicija i aluminija, s relativnom magnetskom propusnošću od oko 26 do 125. Gubitak željeza je između jezgre željeznog praha i MPP-a i legure željeza i nikla . Gustoća magnetskog toka zasićenja veća je od MPP, oko 10500 Gaussa. Temperaturna stabilnost i karakteristike struje zasićenja malo su inferiornije od MPP-a i legure željezo-nikal, ali bolje od jezgre željeznog praha i feritne jezgre, a relativna cijena je jeftinija od MPP-a i legure željezo-nikal. Uglavnom se koristi u EMI filtriranju, krugovima za korekciju faktora snage (PFC) i energetskim induktorima prekidačkih pretvarača snage.

C. Legura željeza i nikla (visoki fluks)

Jezgra od legure željeza i nikla izrađena je od željeza i nikla. Relativna magnetska permeabilnost je oko 14-200. Gubitak željeza i temperaturna stabilnost su između MPP i legure željezo-silicij-aluminij. Jezgra od legure željeza i nikla ima najveću gustoću magnetskog toka zasićenja, oko 15 000 Gaussa, i može izdržati veće istosmjerne prednaponske struje, a njegove karakteristike istosmjernog prednapona su također bolje. Opseg primjene: aktivna korekcija faktora snage, induktivitet skladištenja energije, induktivitet filtera, visokofrekventni transformator flyback pretvarača, itd.

D. Željezni prah

Jezgra željeznog praha izrađena je od čestica željeznog praha visoke čistoće s vrlo malim česticama koje su međusobno izolirane. Proces proizvodnje čini da ima raspoređeni zračni raspor. Osim oblika prstena, uobičajeni oblici jezgre željeznog praha također imaju E-tip i tipove za utiskivanje. Relativna magnetska permeabilnost jezgre željeznog praha je oko 10 do 75, a gustoća magnetskog toka visokog zasićenja je oko 15000 Gaussa. Među jezgrama od željeznog praha, jezgra od željeznog praha ima najveći gubitak željeza, ali najmanju cijenu.

Slika 3 prikazuje BH krivulje PC47 mangan-cink ferita proizvođača TDK i željeznih jezgri u prahu -52 i -2 proizvođača MICROMETALS; relativna magnetska propusnost mangan-cink ferita mnogo je veća nego kod željeznih jezgri u prahu i zasićena je. Gustoća magnetskog toka je također vrlo različita, ferit je oko 5000 Gaussa, a jezgra željeznog praha je više od 10000 Gaussa.

3

Slika 3. BH krivulja mangan-cink feritnih i željeznih praškastih jezgri od različitih materijala

Ukratko, karakteristike zasićenja željezne jezgre su različite; nakon što se prekorači struja zasićenja, magnetska permeabilnost feritne jezgre će naglo pasti, dok se jezgra željeznog praha može polako smanjivati. Slika 4 prikazuje karakteristike pada magnetske permeabilnosti željezne jezgre u prahu s istom magnetskom permeabilnošću i ferita sa zračnim rasporom pod različitim jakostima magnetskog polja. Ovo također objašnjava induktivitet feritne jezgre, jer permeabilnost naglo pada kada je jezgra zasićena, kao što se može vidjeti iz jednadžbe (1), to također uzrokuje nagli pad induktiviteta; dok praškasta jezgra s raspodijeljenim zračnim rasporom, magnetska permeabilnost Brzina se polako smanjuje kada je željezna jezgra zasićena, tako da se induktivitet blaže smanjuje, to jest, ima bolje karakteristike istosmjernog prednapona. U primjeni energetskih pretvarača ova je karakteristika vrlo važna; ako karakteristika polaganog zasićenja induktora nije dobra, struja induktora raste do struje zasićenja, a nagli pad induktiviteta uzrokovat će nagli porast strujnog naprezanja sklopnog kristala, što je lako uzrokovati oštećenje.

4

Slika 4. Karakteristike pada magnetske propusnosti jezgre od željeznog praha i jezgre od feritnog željeza sa zračnim rasporom pod različitim jakostima magnetskog polja.

Električne karakteristike induktora i struktura kućišta

Prilikom projektiranja sklopnog pretvarača i odabira induktora, vrijednost induktiviteta L, impedancija Z, izmjenični otpor ACR i Q vrijednost (faktor kvalitete), nazivna struja IDC i ISAT, te gubitak jezgre (gubitak jezgre) i druge važne električne karakteristike su obavezni uzeti u obzir. Osim toga, struktura pakiranja induktora utjecat će na veličinu magnetskog curenja, što zauzvrat utječe na EMI. U nastavku će se odvojeno raspravljati o gore spomenutim karakteristikama kao razmatranjima za odabir induktora.

1. Vrijednost induktiviteta (L)

Vrijednost induktiviteta induktora najvažniji je osnovni parametar u projektiranju sklopa, ali se mora provjeriti je li vrijednost induktiviteta stabilna na radnoj frekvenciji. Nazivna vrijednost induktiviteta obično se mjeri na 100 kHz ili 1 MHz bez vanjskog istosmjernog prednapona. A kako bi se osigurala mogućnost masovne automatizirane proizvodnje, tolerancija induktora je obično ±20% (M) i ±30% (N). Slika 5 je graf karakteristike induktivitet-frekvencija Taiyo Yuden induktora NR4018T220M izmjeren Wayne Kerrovim LCR metrom. Kao što je prikazano na slici, krivulja vrijednosti induktiviteta je relativno ravna prije 5 MHz, a vrijednost induktiviteta gotovo se može smatrati konstantom. U visokofrekventnom pojasu zbog rezonancije koju stvara parazitski kapacitet i induktivitet, vrijednost induktiviteta će se povećati. Ova rezonantna frekvencija naziva se vlastita rezonantna frekvencija (SRF), koja obično mora biti puno viša od radne frekvencije.

5

Slika 5, Taiyo Yuden NR4018T220M dijagram mjerenja karakteristike induktivitet-frekvencija

2. Impedancija (Z)

Kao što je prikazano na slici 6, dijagram impedancije također se može vidjeti iz izvedbe induktiviteta na različitim frekvencijama. Impedancija induktora je približno proporcionalna frekvenciji (Z=2πfL), pa što je viša frekvencija, reaktancija će biti mnogo veća od AC otpora, tako da se impedancija ponaša kao čista induktivnost (faza je 90˚). Na visokim frekvencijama, zbog parazitskog učinka kapacitivnosti, može se vidjeti samorezonantna frekvencijska točka impedancije. Nakon ove točke, impedancija pada i postaje kapacitivna, a faza se postupno mijenja do -90˚.

6

3. Q vrijednost i AC otpor (ACR)

Vrijednost Q u definiciji induktiviteta je omjer reaktancije i otpora, odnosno omjer imaginarnog i stvarnog dijela impedancije, kao u formuli (2).

(2)

Gdje je XL reaktancija induktora, a RL AC otpor induktora.

U niskofrekventnom području, AC otpor je veći od reaktancije uzrokovane induktivitetom, tako da je njegova Q vrijednost vrlo niska; kako se frekvencija povećava, reaktancija (oko 2πfL) postaje sve veća i veća, čak i ako otpor zbog skin efekta (skin effect) i proximity (proximity) efekt) Učinak postaje sve veći i veći, a Q vrijednost i dalje raste s frekvencijom ; kada se približava SRF, induktivna reaktancija postupno se kompenzira kapacitivnom reaktancijom, a Q vrijednost postupno postaje manja; kada SRF postane nula, jer su induktivna reaktancija i kapacitivna reaktancija potpuno iste. Nestati. Slika 7 prikazuje odnos između Q vrijednosti i frekvencije NR4018T220M, a odnos je u obliku obrnutog zvona.

7

Slika 7. Odnos između Q vrijednosti i frekvencije Taiyo Yuden induktora NR4018T220M

U frekvencijskom pojasu induktiviteta primjene, što je Q vrijednost veća, to bolje; to znači da je njegova reaktancija puno veća od AC otpora. Općenito govoreći, najbolja Q vrijednost je iznad 40, što znači da je kvaliteta induktora dobra. Međutim, općenito kako se DC prednapon povećava, vrijednost induktiviteta će se smanjiti, a Q vrijednost će se također smanjiti. Ako se koristi ravna emajlirana žica ili višežilna emajlirana žica, skin-efekt, to jest AC otpor, može se smanjiti, a može se također povećati Q vrijednost induktora.

Istosmjerni otpor DCR općenito se smatra istosmjernim otporom bakrene žice, a otpor se može izračunati prema promjeru i duljini žice. Međutim, većina SMD induktora niske struje koristit će ultrazvučno zavarivanje za izradu bakrenog lima SMD-a na terminalu namota. Međutim, budući da bakrena žica nije dugačka i vrijednost otpora nije visoka, otpor zavarivanja često čini značajan udio ukupnog otpora istosmjerne struje. Uzimajući TDK-ov žičani SMD induktor CLF6045NIT-1R5N kao primjer, izmjereni istosmjerni otpor je 14,6 mΩ, a istosmjerni otpor izračunat na temelju promjera i duljine žice je 12,1 mΩ. Rezultati pokazuju da ova otpornost zavarivanja čini oko 17% ukupne otpornosti na istosmjernu struju.

Otpor na izmjeničnu struju ACR ima skin efekt i učinak blizine, što će uzrokovati povećanje ACR-a s učestalošću; u primjeni općeg induktiviteta, budući da je izmjenična komponenta puno niža od istosmjerne komponente, utjecaj uzrokovan ACR-om nije očit; ali pri malom opterećenju, budući da je istosmjerna komponenta smanjena, gubitak uzrokovan ACR-om ne može se zanemariti. Skin efekt znači da je pod izmjeničnim uvjetima distribucija struje unutar vodiča neravnomjerna i koncentrirana na površini žice, što rezultira smanjenjem ekvivalentne površine presjeka žice, što zauzvrat povećava ekvivalentni otpor žice s frekvencija. Osim toga, u namotaju žice, susjedne žice uzrokovat će dodavanje i oduzimanje magnetskih polja zbog struje, tako da je struja koncentrirana na površini uz žicu (ili na najdaljoj površini, ovisno o smjeru struje ), što također uzrokuje ekvivalentno presretanje žice. Fenomen da se površina smanjuje, a ekvivalentni otpor povećava je takozvani efekt blizine; u primjeni induktiviteta višeslojnog namota, učinak blizine je još očitiji.

8

Slika 8 prikazuje odnos između AC otpora i frekvencije žičane SMD induktorice NR4018T220M. Na frekvenciji od 1kHz, otpor je oko 360mΩ; na 100kHz, otpor raste na 775mΩ; na 10MHz, vrijednost otpora je blizu 160Ω. Pri procjeni gubitka bakra, izračun mora uzeti u obzir ACR uzrokovan efektom kože i blizine, te ga modificirati formulom (3).

4. Struja zasićenja (ISAT)

Struja zasićenja ISAT općenito je struja prednapona označena kada je vrijednost induktiviteta prigušena kao što je 10%, 30% ili 40%. Za ferit sa zračnim rasporom, jer je njegova karakteristika struje zasićenja vrlo brza, nema velike razlike između 10% i 40%. Pogledajte sliku 4. Međutim, ako se radi o jezgri od željeznog praha (kao što je utisnuti induktor), krivulja zasićenja je relativno blaga, kao što je prikazano na slici 9, prednaponska struja pri 10% ili 40% prigušenja induktiviteta je mnogo različite, pa će se o vrijednosti struje zasićenja raspravljati odvojeno za dvije vrste željeznih jezgri kako slijedi.

Za ferit sa zračnim rasporom, razumno je koristiti ISAT kao gornju granicu maksimalne struje induktora za aplikacije u krugu. Međutim, ako se radi o jezgri od željeznog praha, zbog karakteristike sporog zasićenja, neće biti problema čak ni ako maksimalna struja aplikacijskog kruga premašuje ISAT. Stoga je ova karakteristika željezne jezgre najprikladnija za aplikacije sklopnih pretvarača. Pod velikim opterećenjem, iako je vrijednost induktiviteta induktora niska, kao što je prikazano na slici 9, faktor valovitosti struje je visok, ali je tolerancija struje kondenzatora visoka, tako da to neće biti problem. Pod malim opterećenjem, vrijednost induktiviteta induktora je veća, što pomaže smanjiti valovitost struje induktora, čime se smanjuje gubitak željeza. Slika 9 uspoređuje krivulju struje zasićenja TDK namotanog ferita SLF7055T1R5N i induktora s jezgrom od željeznog praha SPM6530T1R5M pod istom nominalnom vrijednošću induktiviteta.

9

Slika 9. Krivulja struje zasićenja namotane feritne jezgre i jezgre od željeznog praha pod istom nazivnom vrijednošću induktiviteta

5. Nazivna struja (IDC)

IDC vrijednost je DC prednapon kada temperatura induktora poraste na Tr˚C. Specifikacije također pokazuju njegovu vrijednost istosmjernog otpora RDC na 20˚C. Prema temperaturnom koeficijentu bakrene žice oko 3,930 ppm, kada temperatura Tr raste, vrijednost njegovog otpora je RDC_Tr = RDC (1+0,00393Tr), a njegova potrošnja energije je PCU = I2DCxRDC. Ovaj gubitak bakra raspršuje se na površini induktora, a toplinski otpor ΘTH induktora može se izračunati:

(2)

Tablica 2 odnosi se na tablicu s podacima serije TDK VLS6045EX (6,0×6,0×4,5 mm) i izračunava toplinski otpor pri porastu temperature od 40˚C. Očito, za induktore iste serije i veličine, izračunati toplinski otpor je gotovo isti zbog iste površine rasipanja topline; drugim riječima, može se procijeniti nazivna struja IDC različitih induktora. Različite serije (paketi) induktora imaju različite toplinske otpore. Tablica 3 uspoređuje toplinski otpor induktora serije TDK VLS6045EX (polu-oklopljene) i serije SPM6530 (lijevane). Što je toplinski otpor veći, veći porast temperature nastaje kada induktivitet teče kroz struju opterećenja; inače, niži.

(2)

Tablica 2. Toplinski otpor induktora serije VLS6045EX pri porastu temperature od 40˚C

Iz tablice 3 može se vidjeti da čak i ako su veličine induktora slične, toplinski otpor utisnutih induktora je nizak, odnosno odvođenje topline je bolje.

(3)

Tablica 3. Usporedba toplinskog otpora različitih paketnih induktora.

6. Gubitak jezgre

Gubitak u jezgri, koji se naziva gubitak željeza, uglavnom je uzrokovan gubitkom vrtložne struje i gubitkom histereze. Veličina gubitka vrtložnih struja uglavnom ovisi o tome je li materijal jezgre lako "voditi"; ako je vodljivost visoka, odnosno otpor je nizak, gubitak vrtložne struje je velik, a ako je otpor ferita visok, gubitak vrtložne struje je relativno mali. Gubitak vrtložne struje također je povezan s frekvencijom. Što je veća frekvencija, veći je gubitak vrtložne struje. Stoga će materijal jezgre odrediti ispravnu radnu frekvenciju jezgre. Općenito govoreći, radna frekvencija jezgre željeznog praha može doseći 1MHz, a radna frekvencija ferita može doseći 10MHz. Ako radna frekvencija premaši ovu frekvenciju, gubitak vrtložne struje će se brzo povećati, a također će se povećati i temperatura željezne jezgre. Međutim, s brzim razvojem materijala za željezne jezgre, željezne jezgre s višim radnim frekvencijama trebale bi biti odmah iza ugla.

Još jedan gubitak željeza je gubitak na histerezi, koji je proporcionalan površini koju obuhvaća krivulja histereze, što je povezano s amplitudom ljuljanja izmjenične komponente struje; što je veći AC zamah, veći je gubitak na histerezi.

U ekvivalentnom krugu induktora, otpornik spojen paralelno s induktorom često se koristi za izražavanje gubitka željeza. Kada je frekvencija jednaka SRF, induktivna reaktancija i kapacitivna reaktancija se poništavaju, a ekvivalentna reaktancija je nula. U ovom trenutku, impedancija induktora je ekvivalentna otporu gubitka željeza u seriji s otporom namota, a otpor gubitka željeza je mnogo veći od otpora namota, tako da je impedancija na SRF približno jednaka otporu gubitka željeza. Uzimajući za primjer induktor niskog napona, njegov otpor gubitka željeza je oko 20 kΩ. Ako je efektivna vrijednost napona na oba kraja induktora procijenjena na 5 V, njegov gubitak željeza je oko 1,25 mW, što također pokazuje da što je veći otpor gubitka željeza, to bolje.

7. Struktura štita

Struktura pakiranja feritnih induktora uključuje neoklopljene, poluzaštićene magnetskim ljepilom i oklopljene, a u objema postoji značajan zračni raspor. Očito je da će zračni raspor imati magnetsko curenje, au najgorem slučaju, ometat će okolne male signalne krugove, ili ako postoji magnetski materijal u blizini, njegova induktivnost će također biti promijenjena. Još jedna struktura pakiranja je induktor od željeznog praha. Budući da unutar induktora nema razmaka, a struktura namota je čvrsta, problem disipacije magnetskog polja je relativno mali. Slika 10 prikazuje upotrebu FFT funkcije osciloskopa RTO 1004 za mjerenje veličine magnetskog polja curenja na 3 mm iznad i sa strane utisnutog induktora. U tablici 4 navedena je usporedba magnetskog polja curenja induktora različite strukture paketa. Može se vidjeti da neoklopljeni induktori imaju najozbiljnije magnetsko curenje; žigosani induktori imaju najmanje magnetsko curenje, pokazujući najbolji učinak magnetske zaštite. . Razlika u veličini magnetskog polja curenja induktora ove dvije strukture je oko 14 dB, što je gotovo 5 puta.

10

Slika 10. Magnituda magnetskog polja curenja izmjerena na 3 mm iznad i sa strane utisnutog induktora

(4)

Tablica 4. Usporedba magnetskog polja curenja induktora različite strukture paketa

8. spojnica

U nekim primjenama ponekad postoji više kompleta istosmjernih pretvarača na tiskanoj pločici, koji su obično raspoređeni jedan do drugoga, a njihovi odgovarajući induktori također su raspoređeni jedan do drugoga. Ako koristite neoklopljeni ili polu-oklopljeni tip s magnetskim ljepilom, induktori se mogu međusobno spojiti i stvoriti EMI smetnje. Stoga se pri postavljanju induktora preporučuje prvo označiti polaritet induktora i spojiti početnu točku i točku namota najdubljeg sloja induktora na sklopni napon konvertora, kao što je VSW buck konvertera, koja je pokretna točka. Izlazni terminal je spojen na izlazni kondenzator, koji je statička točka; namot bakrene žice stoga čini određeni stupanj zaštite od električnog polja. U rasporedu ožičenja multipleksora, fiksiranje polariteta induktiviteta pomaže u fiksiranju veličine uzajamnog induktiviteta i izbjegavanju nekih neočekivanih EMI problema.

Prijave:

Prethodno poglavlje raspravljalo je o materijalu jezgre, strukturi paketa i važnim električnim karakteristikama induktora. U ovom će se poglavlju objasniti kako odabrati odgovarajuću vrijednost induktiviteta dolaznog pretvarača i razmatranja za odabir komercijalno dostupnog induktora.

Kao što je prikazano u jednadžbi (5), vrijednost induktora i frekvencija uključivanja pretvarača utjecat će na struju valovitosti induktora (ΔiL). Struja valovitosti induktora teći će kroz izlazni kondenzator i utjecati na struju valovitosti izlaznog kondenzatora. Stoga će to utjecati na odabir izlaznog kondenzatora i dalje utjecati na veličinu valovitosti izlaznog napona. Nadalje, vrijednost induktiviteta i vrijednost izlaznog kapaciteta također će utjecati na dizajn povratne sprege sustava i dinamički odziv opterećenja. Odabir veće vrijednosti induktiviteta ima manji strujni stres na kondenzatoru, a također je koristan za smanjenje valovitosti izlaznog napona i može pohraniti više energije. Međutim, veća vrijednost induktiviteta ukazuje na veći volumen, odnosno veći trošak. Stoga je kod projektiranja pretvarača vrlo važno projektiranje vrijednosti induktiviteta.

(5)

Iz formule (5) se može vidjeti da kada je jaz između ulaznog napona i izlaznog napona veći, struja valovitosti induktora će biti veća, što je najgore stanje dizajna induktora. Zajedno s drugom induktivnom analizom, projektirana točka induktiviteta silaznog pretvarača obično se odabire pod uvjetima maksimalnog ulaznog napona i punog opterećenja.

Prilikom projektiranja vrijednosti induktiviteta potrebno je napraviti kompromis između struje valovitosti induktiviteta i veličine induktiviteta, a faktor valovitosti struje (faktor valovitosti struje; γ) definiran je ovdje, kao u formuli (6).

（6）

Zamjenom formule (6) u formulu (5), vrijednost induktiviteta može se izraziti kao formula (7).

（7）

Prema formuli (7), kada je razlika između ulaznog i izlaznog napona veća, vrijednost γ može se odabrati većom; naprotiv, ako su ulazni i izlazni napon bliži, projektirana vrijednost γ mora biti manja. Kako bi se biralo između struje valovitosti induktora i veličine, u skladu s tradicionalnom iskustvenom vrijednošću dizajna, γ je obično 0,2 do 0,5. Slijedi RT7276 kao primjer za ilustraciju izračuna induktiviteta i odabira komercijalno dostupnih induktora.

Primjer dizajna: Dizajniran sa RT7276 naprednim konstantnim vremenom uključivanja (Advanced Constant On-Time; ACOTTM) sinkronim ispravljačkim silaznim pretvaračem, njegova frekvencija prebacivanja je 700 kHz, ulazni napon je 4,5 V do 18 V, a izlazni napon je 1,05 V . Struja punog opterećenja je 3A. Kao što je gore spomenuto, vrijednost induktiviteta mora biti projektirana u uvjetima maksimalnog ulaznog napona od 18 V i punog opterećenja od 3 A, vrijednost γ se uzima kao 0,35, a gornja vrijednost se supstituira u jednadžbu (7), induktivitet vrijednost je

Upotrijebite induktor s uobičajenom nominalnom vrijednošću induktiviteta od 1,5 µH. Zamijenite formulu (5) za izračunavanje struje valovitosti induktora kako slijedi.

Stoga je vršna struja induktora

A efektivna vrijednost struje induktora (IRMS) je

Budući da je komponenta valovitosti induktora mala, efektivna vrijednost struje induktora uglavnom je njegova istosmjerna komponenta, a ta se efektivna vrijednost koristi kao osnova za odabir nazivne struje induktora IDC. S 80% smanjenjem (smanjenjem) dizajna, zahtjevi za induktivitet su:

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

U tablici 5 navedeni su dostupni induktori različitih serija TDK, slične veličine, ali različite strukture paketa. Iz tablice se može vidjeti da su struja zasićenja i nazivna struja žigosanog induktora (SPM6530T-1R5M) velike, toplinski otpor mali, a rasipanje topline dobro. Osim toga, prema raspravi u prethodnom poglavlju, materijal jezgre žigosanog induktora je jezgra od željeznog praha, pa se uspoređuje s feritnom jezgrom polu-oklopljenih (VLS6045EX-1R5N) i oklopljenih (SLF7055T-1R5N) induktora magnetskim ljepilom. , Ima dobre karakteristike istosmjernog prednapona. Slika 11 prikazuje usporedbu učinkovitosti različitih induktora primijenjenih na RT7276 napredni sinkroni silazni pretvarač s konstantnim uključenjem. Rezultati pokazuju da razlika u učinkovitosti između ta tri nije značajna. Ako uzmete u obzir rasipanje topline, karakteristike istosmjerne prednapone i probleme s rasipanjem magnetskog polja, preporučuje se korištenje induktora SPM6530T-1R5M.

（5）

Tablica 5. Usporedba induktiviteta različitih serija TDK

11

Slika 11. Usporedba učinkovitosti pretvarača s različitim induktorima

Ako odaberete istu strukturu paketa i vrijednost induktiviteta, ali induktore manje veličine, kao što je SPM4015T-1R5M (4,4 × 4,1 × 1,5 mm), iako je njegova veličina mala, ali istosmjerni otpor RDC (44,5 mΩ) i toplinski otpor ΘTH ( 51˚C) /W) Veći. Za pretvarače istih specifikacija, efektivna vrijednost struje koju tolerira induktor također je ista. Očito, DC otpor će smanjiti učinkovitost pod velikim opterećenjem. Osim toga, veliki toplinski otpor znači slabo odvođenje topline. Stoga pri odabiru induktora nije potrebno samo razmotriti prednosti smanjene veličine, već i procijeniti njegove popratne nedostatke.

U zaključku

Induktivitet je jedna od često korištenih pasivnih komponenti u sklopnim pretvaračima snage, koji se mogu koristiti za pohranu i filtriranje energije. Međutim, u dizajnu strujnog kruga, ne treba obratiti pozornost samo na vrijednost induktiviteta, već i druge parametre, uključujući otpor izmjenične struje i Q vrijednost, toleranciju struje, zasićenost željezne jezgre i strukturu paketa itd., sve su to parametri koji moraju uzeti u obzir pri odabiru induktora. . Ti su parametri obično povezani s materijalom jezgre, proizvodnim procesom te veličinom i cijenom. Stoga ovaj članak predstavlja značajke različitih materijala željezne jezgre i kako odabrati odgovarajući induktivitet kao referencu za dizajn napajanja.