nieuws

Samenvatting

Inductoren zijn zeer belangrijke componenten in schakelconverters, zoals energieopslag en vermogensfilters. Er zijn veel soorten inductoren, bijvoorbeeld voor verschillende toepassingen (van lage frequentie tot hoge frequentie), of verschillende kernmaterialen die de eigenschappen van de inductor beïnvloeden, enzovoort. Inductoren die in schakelconverters worden gebruikt, zijn hoogfrequente magnetische componenten. Vanwege verschillende factoren, zoals materialen, bedrijfsomstandigheden (zoals spanning en stroom) en omgevingstemperatuur, zijn de gepresenteerde kenmerken en theorieën echter behoorlijk verschillend. Daarom moet bij het circuitontwerp, naast de basisparameter van de inductantiewaarde, nog steeds rekening worden gehouden met de relatie tussen de impedantie van de inductor en de AC-weerstand en -frequentie, het kernverlies en de verzadigingsstroomkarakteristieken. Dit artikel introduceert verschillende belangrijke inductorkernmaterialen en hun kenmerken, en begeleidt energie-ingenieurs ook bij het kiezen van in de handel verkrijgbare standaardinductoren.

Voorwoord

Inductor is een elektromagnetische inductiecomponent, die wordt gevormd door een bepaald aantal spoelen (spoel) op een spoel of kern te wikkelen met een geïsoleerde draad. Deze spoel wordt een inductiespoel of inductor genoemd. Volgens het principe van elektromagnetische inductie, wanneer de spoel en het magnetische veld ten opzichte van elkaar bewegen, of de spoel een magnetisch wisselveld genereert door middel van een wisselstroom, zal er een geïnduceerde spanning worden gegenereerd om de verandering van het oorspronkelijke magnetische veld te weerstaan. en dit kenmerk van het beperken van de huidige verandering wordt inductie genoemd.

De formule van de inductantiewaarde is als formule (1), die evenredig is met de magnetische permeabiliteit, het kwadraat van de windingen N van de wikkeling en het equivalente dwarsdoorsnedeoppervlak van het magnetische circuit Ae, en omgekeerd evenredig is met de equivalente magnetische circuitlengte le . Er zijn veel soorten inductie, elk geschikt voor verschillende toepassingen; de inductantie houdt verband met de vorm, grootte, wikkelmethode, aantal windingen en het type tussenliggend magnetisch materiaal.

(1)

Afhankelijk van de vorm van de ijzeren kern omvat de inductie een ringkern, E-kern en trommel; in termen van ijzeren kernmateriaal zijn er voornamelijk keramische kernen en twee zachtmagnetische typen. Het zijn ferriet en metaalpoeder. Afhankelijk van de structuur of verpakkingsmethode zijn er draadgewonden, meerlaags en gegoten, en de draadgewonden is niet-afgeschermd en de helft van magnetische lijm afgeschermd (semi-afgeschermd) en afgeschermd (afgeschermd), enz.

De inductor gedraagt ​​zich als een kortsluiting bij gelijkstroom en heeft een hoge impedantie voor wisselstroom. De basistoepassingen in circuits zijn onder meer verstikking, filtering, afstemming en energieopslag. Bij de toepassing van de schakelende omzetter is de inductor de belangrijkste component voor energieopslag en vormt deze een laagdoorlaatfilter met de uitgangscondensator om de rimpel van de uitgangsspanning te verminderen, zodat deze ook een belangrijke rol speelt in de filterfunctie.

Dit artikel introduceert de verschillende kernmaterialen van inductoren en hun kenmerken, evenals enkele elektrische kenmerken van inductoren, als een belangrijke evaluatiereferentie voor het selecteren van inductoren tijdens het circuitontwerp. In het toepassingsvoorbeeld wordt aan de hand van praktische voorbeelden geïntroduceerd hoe u de inductiewaarde kunt berekenen en hoe u een in de handel verkrijgbare standaardinductor kunt kiezen.

Soort kernmateriaal

Inductoren die in schakelconverters worden gebruikt, zijn hoogfrequente magnetische componenten. Het kernmateriaal in het midden heeft de meeste invloed op de kenmerken van de inductor, zoals impedantie en frequentie, inductiewaarde en frequentie, of kernverzadigingskarakteristieken. Het volgende introduceert de vergelijking van verschillende gangbare ijzeren kernmaterialen en hun verzadigingskarakteristieken als een belangrijke referentie voor het selecteren van vermogensinductoren:

1. Keramische kern

Keramische kern is een van de gebruikelijke inductiematerialen. Het wordt voornamelijk gebruikt om de ondersteunende structuur te bieden die wordt gebruikt bij het opwikkelen van de spoel. Het wordt ook wel “luchtkerninductor” genoemd. Omdat de gebruikte ijzeren kern een niet-magnetisch materiaal is met een zeer lage temperatuurcoëfficiënt, is de inductiewaarde zeer stabiel in het bedrijfstemperatuurbereik. Door het niet-magnetische materiaal als medium is de inductantie echter zeer laag, wat niet erg geschikt is voor de toepassing van stroomomvormers.

2. Ferriet

De ferrietkern die in algemene hoogfrequente inductoren wordt gebruikt, is een ferrietverbinding die nikkelzink (NiZn) of mangaanzink (MnZn) bevat, een zacht magnetisch ferromagnetisch materiaal met lage coërciviteit. Figuur 1 toont de hysteresiscurve (BH-lus) van een algemene magnetische kern. De coërcitiefkracht HC van een magnetisch materiaal wordt ook wel coërcitiefkracht genoemd, wat betekent dat wanneer het magnetische materiaal is gemagnetiseerd tot magnetische verzadiging, de magnetisatie (magnetisatie) ervan wordt teruggebracht tot nul. De op dat moment vereiste magnetische veldsterkte. Een lagere coërciviteit betekent een lagere weerstand tegen demagnetisatie en betekent ook een lager hysteresisverlies.

Mangaan-zink- en nikkel-zink-ferrieten hebben een relatief hoge relatieve permeabiliteit (μr), respectievelijk ongeveer 1500-15.000 en 100-1000. Hun hoge magnetische permeabiliteit maakt de ijzeren kern hoger in een bepaald volume. De inductie. Het nadeel is echter dat de toelaatbare verzadigingsstroom laag is, en zodra de ijzeren kern verzadigd is, zal de magnetische permeabiliteit scherp afnemen. Zie Figuur 4 voor de afnemende trend van de magnetische permeabiliteit van ferriet- en ijzerpoederkernen wanneer de ijzeren kern verzadigd is. Vergelijking. Bij gebruik in stroominductoren blijft er een luchtspleet achter in het magnetische hoofdcircuit, wat de permeabiliteit kan verminderen, verzadiging kan voorkomen en meer energie kan opslaan; wanneer de luchtspleet wordt meegerekend, kan de equivalente relatieve permeabiliteit ongeveer 20-tussen 200 zijn. Omdat de hoge soortelijke weerstand van het materiaal zelf het verlies veroorzaakt door wervelstroom kan verminderen, is het verlies lager bij hoge frequenties en is het geschikter voor hoogfrequente transformatoren, EMI-filterinductoren en energieopslaginductoren van stroomomvormers. Qua werkfrequentie is nikkel-zink-ferriet geschikt voor gebruik (>1 MHz), terwijl mangaan-zink-ferriet geschikt is voor lagere frequentiebanden (<2 MHz).

1

Figuur 1. De hysteresiscurve van de magnetische kern (BR: remanentie; BSAT: verzadigingsmagnetische fluxdichtheid)

3. Poederijzerkern

Poederijzerkernen zijn ook zachtmagnetische ferromagnetische materialen. Ze zijn gemaakt van ijzerpoederlegeringen van verschillende materialen of alleen ijzerpoeder. De formule bevat niet-magnetische materialen met verschillende deeltjesgroottes, waardoor de verzadigingscurve relatief zacht is. De poederijzerkern is grotendeels ringkern. Figuur 2 toont de poederijzerkern en de dwarsdoorsnede ervan.

Veel voorkomende ijzeren kernen in poedervorm zijn onder meer een ijzer-nikkel-molybdeenlegering (MPP), sendust (Sendust), ijzer-nikkellegering (hoge flux) en ijzerpoederkern (ijzerpoeder). Vanwege de verschillende componenten zijn ook de kenmerken en prijzen verschillend, wat de keuze van inductoren beïnvloedt. Hieronder worden de bovengenoemde kerntypen geïntroduceerd en hun kenmerken vergeleken:

A. IJzer-nikkel-molybdeenlegering (MPP)

Fe-Ni-Mo-legering wordt afgekort als MPP, wat de afkorting is van molypermalloy-poeder. De relatieve permeabiliteit is ongeveer 14-500, en de magnetische verzadigingsfluxdichtheid is ongeveer 7500 Gauss (Gauss), wat hoger is dan de magnetische verzadigingsfluxdichtheid van ferriet (ongeveer 4000-5000 Gauss). Velen uit. MPP heeft het kleinste ijzerverlies en de beste temperatuurstabiliteit onder poederijzerkernen. Wanneer de externe gelijkstroom de verzadigingsstroom ISAT bereikt, neemt de inductantiewaarde langzaam af zonder abrupte verzwakking. MPP heeft betere prestaties maar hogere kosten, en wordt meestal gebruikt als stroominductor en EMI-filtering voor stroomomvormers.

B. Sendust

De ijzeren kern van een ijzer-silicium-aluminiumlegering is een gelegeerde ijzeren kern bestaande uit ijzer, silicium en aluminium, met een relatieve magnetische permeabiliteit van ongeveer 26 tot 125. Het ijzerverlies bevindt zich tussen de ijzerpoederkern en MPP en de ijzer-nikkellegering . De magnetische verzadigingsfluxdichtheid is hoger dan MPP, ongeveer 10.500 Gauss. Temperatuurstabiliteit en verzadigingsstroomkarakteristieken zijn iets inferieur aan MPP en ijzer-nikkellegering, maar beter dan ijzerpoederkern en ferrietkern, en de relatieve kosten zijn goedkoper dan MPP en ijzer-nikkellegering. Het wordt meestal gebruikt in EMI-filtering, powerfactorcorrectie (PFC) circuits en stroominductoren van schakelende stroomomvormers.

C. IJzer-nikkellegering (hoge flux)

De kern van een ijzer-nikkellegering is gemaakt van ijzer en nikkel. De relatieve magnetische permeabiliteit is ongeveer 14-200. Het ijzerverlies en de temperatuurstabiliteit liggen tussen MPP en ijzer-silicium-aluminiumlegering. De kern van een ijzer-nikkellegering heeft de hoogste magnetische verzadigingsdichtheid, ongeveer 15.000 Gauss, en is bestand tegen hogere DC-voorspanningsstromen, en de DC-voorspanningskarakteristieken zijn ook beter. Toepassingsgebied: actieve vermogensfactorcorrectie, inductie van energieopslag, filterinductie, hoogfrequente transformator van flyback-omzetter, enz.

D. IJzerpoeder

De ijzerpoederkern is gemaakt van zeer zuivere ijzerpoederdeeltjes met zeer kleine deeltjes die van elkaar geïsoleerd zijn. Door het productieproces heeft het een verdeelde luchtspleet. Naast de ringvorm hebben de gebruikelijke ijzerpoederkernvormen ook E-type en stempeltypes. De relatieve magnetische permeabiliteit van de ijzerpoederkern is ongeveer 10 tot 75, en de magnetische fluxdichtheid met hoge verzadiging is ongeveer 15.000 Gauss. Van de poederijzerkernen heeft de ijzerpoederkern het hoogste ijzerverlies maar de laagste kosten.

Figuur 3 toont de BH-curven van PC47 mangaan-zinkferriet vervaardigd door TDK en ijzeren poederkernen -52 en -2 vervaardigd door MICROMETALS; de relatieve magnetische permeabiliteit van mangaan-zink-ferriet is veel hoger dan die van ijzerpoederkernen en is verzadigd. De magnetische fluxdichtheid is ook heel anders, het ferriet is ongeveer 5000 Gauss en de ijzerpoederkern is meer dan 10.000 Gauss.

3

Figuur 3. BH-curve van mangaan-zinkferriet- en ijzerpoederkernen van verschillende materialen

Samenvattend zijn de verzadigingskarakteristieken van de ijzeren kern verschillend; zodra de verzadigingsstroom wordt overschreden zal de magnetische permeabiliteit van de ferrietkern sterk afnemen, terwijl de ijzerpoederkern langzaam kan afnemen. Figuur 4 toont de dalingskarakteristieken van de magnetische permeabiliteit van een ijzeren poederkern met dezelfde magnetische permeabiliteit en een ferriet met een luchtspleet onder verschillende magnetische veldsterktes. Dit verklaart ook de inductantie van de ferrietkern, omdat de permeabiliteit scherp daalt wanneer de kern verzadigd is, zoals blijkt uit vergelijking (1), en er ook voor zorgt dat de inductantie scherp daalt; terwijl de poederkern een verdeelde luchtspleet heeft, neemt de magnetische permeabiliteit langzaam af wanneer de ijzeren kern verzadigd is, zodat de inductantie zachter afneemt, dat wil zeggen dat deze betere DC-voorspanningskarakteristieken heeft. Bij de toepassing van stroomomvormers is deze eigenschap erg belangrijk; als de langzame verzadigingskarakteristiek van de inductor niet goed is, stijgt de inductorstroom naar de verzadigingsstroom en zal de plotselinge daling van de inductie ervoor zorgen dat de stroomspanning van het schakelkristal scherp stijgt, wat gemakkelijk schade kan veroorzaken.

4

Figuur 4. Magnetische permeabiliteitsdalingskarakteristieken van poederijzerkern en ferrietijzerkern met luchtspleet onder verschillende magnetische veldsterktes.

Elektrische kenmerken van de inductor en pakketstructuur

Bij het ontwerpen van een schakelomvormer en het selecteren van een inductor zijn de inductantiewaarde L, impedantie Z, AC-weerstand ACR en Q-waarde (kwaliteitsfactor), nominale stroom IDC en ISAT, en kernverlies (kernverlies) en andere belangrijke elektrische kenmerken allemaal vereist. worden overwogen. Bovendien zal de verpakkingsstructuur van de inductor de omvang van de magnetische lekkage beïnvloeden, wat op zijn beurt de EMI beïnvloedt. Hieronder worden de bovengenoemde kenmerken afzonderlijk besproken als overwegingen voor het selecteren van inductoren.

1. Inductiewaarde (L)

De inductantiewaarde van een inductor is de belangrijkste basisparameter bij het circuitontwerp, maar er moet worden gecontroleerd of de inductantiewaarde stabiel is bij de werkfrequentie. De nominale waarde van de inductantie wordt gewoonlijk gemeten bij 100 kHz of 1 MHz zonder externe DC-voorspanning. En om de mogelijkheid van geautomatiseerde massaproductie te garanderen, bedraagt ​​de tolerantie van de inductor doorgaans ±20% (M) en ±30% (N). Figuur 5 is de grafiek van de inductiefrequentiekarakteristiek van de Taiyo Yuden-inductor NR4018T220M, gemeten met de LCR-meter van Wayne Kerr. Zoals weergegeven in de figuur is de inductantiewaardecurve vóór 5 MHz relatief vlak en kan de inductantiewaarde bijna als een constante worden beschouwd. In de hoge frequentieband zal de inductantiewaarde toenemen als gevolg van de resonantie die wordt gegenereerd door de parasitaire capaciteit en inductantie. Deze resonantiefrequentie wordt de zelfresonantiefrequentie (SRF) genoemd, die doorgaans veel hoger moet zijn dan de werkfrequentie.

5

Figuur 5, Taiyo Yuden NR4018T220M inductiefrequentiekarakteristiek meetdiagram

2. Impedantie (Z)

Zoals weergegeven in figuur 6 kan het impedantiediagram ook worden afgeleid uit de prestatie van de inductantie bij verschillende frequenties. De impedantie van de inductor is ongeveer evenredig met de frequentie (Z=2πfL), dus hoe hoger de frequentie, de reactantie zal veel groter zijn dan de AC-weerstand, dus de impedantie gedraagt ​​zich als een pure inductantie (fase is 90˚). Bij hoge frequenties is, als gevolg van het parasitaire capaciteitseffect, het zelfresonante frequentiepunt van de impedantie zichtbaar. Na dit punt daalt de impedantie en wordt capacitief, en verandert de fase geleidelijk naar -90 ˚.

6

3. Q-waarde en AC-weerstand (ACR)

De Q-waarde in de definitie van inductantie is de verhouding tussen reactantie en weerstand, dat wil zeggen de verhouding van het denkbeeldige deel tot het reële deel van de impedantie, zoals in formule (2).

(2)

Waar XL de reactantie van de inductor is, en RL de AC-weerstand van de inductor.

In het lage frequentiebereik is de AC-weerstand groter dan de reactantie veroorzaakt door de inductantie, dus de Q-waarde is erg laag; naarmate de frequentie toeneemt, wordt de reactantie (ongeveer 2πfL) steeds groter, zelfs als de weerstand als gevolg van skin-effect (skin-effect) en nabijheidseffect (nabijheidseffect) groter en groter wordt, en de Q-waarde neemt nog steeds toe met de frequentie ; bij het naderen van SRF wordt de inductieve reactantie geleidelijk gecompenseerd door de capacitieve reactantie, en wordt de Q-waarde geleidelijk kleiner; wanneer de SRF nul wordt, omdat de inductieve reactantie en de capacitieve reactantie volledig hetzelfde zijn, verdwijnen. Figuur 7 toont de relatie tussen de Q-waarde en de frequentie van NR4018T220M, en de relatie heeft de vorm van een omgekeerde bel.

7

Figuur 7. De relatie tussen Q-waarde en frequentie van Taiyo Yuden-inductor NR4018T220M

In de toepassingsfrequentieband van inductie geldt: hoe hoger de Q-waarde, hoe beter; het betekent dat de reactantie veel groter is dan de AC-weerstand. Over het algemeen ligt de beste Q-waarde boven de 40, wat betekent dat de kwaliteit van de inductor goed is. Naarmate de DC-voorspanning toeneemt, zal de inductantiewaarde echter in het algemeen afnemen en zal de Q-waarde ook afnemen. Als platte geëmailleerde draad of meerstrengige geëmailleerde draad wordt gebruikt, kan het skin-effect, dat wil zeggen de AC-weerstand, worden verminderd en kan ook de Q-waarde van de inductor worden verhoogd.

De DC-weerstand DCR wordt algemeen beschouwd als de DC-weerstand van de koperdraad en de weerstand kan worden berekend op basis van de draaddiameter en lengte. De meeste SMD-inductoren met lage stroomsterkte zullen echter ultrasoon lassen gebruiken om de koperen plaat van de SMD bij de wikkelterminal te maken. Omdat de koperdraad echter niet lang is en de weerstandswaarde niet hoog is, neemt de lasweerstand vaak een aanzienlijk deel van de totale gelijkstroomweerstand voor zijn rekening. Als we de draadgewonden SMD-inductor CLF6045NIT-1R5N van TDK als voorbeeld nemen, bedraagt ​​de gemeten DC-weerstand 14,6 mΩ, en de DC-weerstand berekend op basis van de draaddiameter en -lengte is 12,1 mΩ. Uit de resultaten blijkt dat deze lasweerstand ongeveer 17% van de totale DC-weerstand bedraagt.

AC-weerstand ACR heeft een skin-effect en een nabijheidseffect, waardoor ACR toeneemt met de frequentie; bij de toepassing van algemene inductie is de invloed veroorzaakt door ACR niet duidelijk, omdat de AC-component veel lager is dan de DC-component; maar bij lichte belasting kan het verlies veroorzaakt door ACR niet worden genegeerd, omdat de DC-component wordt verminderd. Het skin-effect betekent dat onder AC-omstandigheden de stroomverdeling in de geleider ongelijkmatig is en zich concentreert op het oppervlak van de draad, wat resulteert in een vermindering van het equivalente draaddoorsnedeoppervlak, wat op zijn beurt de equivalente weerstand van de draad vergroot. frequentie. Bovendien zullen aangrenzende draden bij een draadwikkeling het optellen en aftrekken van magnetische velden veroorzaken als gevolg van de stroom, zodat de stroom wordt geconcentreerd op het oppervlak dat grenst aan de draad (of het verste oppervlak, afhankelijk van de richting van de stroom ), wat ook een gelijkwaardige draadonderschepping veroorzaakt. Het fenomeen dat het oppervlak kleiner wordt en de equivalente weerstand toeneemt, is het zogenaamde nabijheidseffect; bij de inductietoepassing van een meerlaagse wikkeling is het nabijheidseffect zelfs nog duidelijker.

8

Figuur 8 toont de relatie tussen AC-weerstand en frequentie van de draadgewonden SMD-inductor NR4018T220M. Bij een frequentie van 1 kHz is de weerstand ongeveer 360 mΩ; bij 100 kHz stijgt de weerstand tot 775 mΩ; bij 10 MHz ligt de weerstandswaarde dicht bij 160 Ω. Bij het schatten van het koperverlies moet bij de berekening rekening worden gehouden met de ACR veroorzaakt door de huid- en nabijheidseffecten, en deze aanpassen aan formule (3).

4. Verzadigingsstroom (ISAT)

Verzadigingsstroom ISAT is over het algemeen de biasstroom die wordt gemarkeerd wanneer de inductantiewaarde wordt verzwakt, zoals 10%, 30% of 40%. Voor ferriet met luchtspleet is er, omdat de verzadigingsstroomkarakteristiek ervan zeer snel is, niet veel verschil tussen 10% en 40%. Zie Figuur 4. Als het echter een kern van ijzerpoeder is (zoals een gestempelde inductor), is de verzadigingscurve relatief zacht. Zoals weergegeven in Figuur 9 is de biasstroom bij 10% of 40% van de inductieverzwakking veel groter. verschillend, dus de verzadigingsstroomwaarde zal als volgt afzonderlijk worden besproken voor de twee soorten ijzeren kernen.

Voor een ferriet met luchtspleet is het redelijk om ISAT te gebruiken als de bovengrens van de maximale inductorstroom voor circuittoepassingen. Als het echter een kern van ijzerpoeder is, zal er vanwege de langzame verzadigingskarakteristiek geen probleem zijn, zelfs als de maximale stroom van het toepassingscircuit ISAT overschrijdt. Daarom is deze ijzeren kernkarakteristiek het meest geschikt voor toepassingen met schakelconverters. Onder zware belasting, hoewel de inductantiewaarde van de inductor laag is, zoals weergegeven in figuur 9, is de huidige rimpelfactor hoog, maar de stroomtolerantie van de huidige condensator is hoog, dus dit zal geen probleem zijn. Bij lichte belasting is de inductiewaarde van de inductor groter, wat helpt de rimpelstroom van de inductor te verminderen, waardoor het ijzerverlies wordt verminderd. Figuur 9 vergelijkt de verzadigingsstroomcurve van TDK's gewikkelde ferriet SLF7055T1R5N en de kerninductor SPM6530T1R5M van gestempeld ijzerpoeder onder dezelfde nominale inductantiewaarde.

9

Figuur 9. Verzadigingsstroomcurve van gewikkelde ferriet- en gestempelde ijzerpoederkern onder dezelfde nominale inductantiewaarde

5. Nominale stroom (IDC)

De IDC-waarde is de DC-voorspanning wanneer de inductortemperatuur stijgt tot Tr˚C. De specificaties geven ook de DC-weerstandswaarde RDC aan bij 20˚C. Volgens de temperatuurcoëfficiënt van de koperdraad is deze ongeveer 3.930 ppm, wanneer de temperatuur van Tr stijgt, is de weerstandswaarde RDC_Tr = RDC (1+0,00393Tr) en is het stroomverbruik PCU = I2DCxRDC. Dit koperverlies wordt gedissipeerd op het oppervlak van de inductor en de thermische weerstand ΘTH van de inductor kan worden berekend:

(2)

Tabel 2 verwijst naar het datablad van de TDK VLS6045EX-serie (6,0×6,0×4,5mm) en berekent de thermische weerstand bij een temperatuurstijging van 40˚C. Het is duidelijk dat voor inductoren van dezelfde serie en grootte de berekende thermische weerstand vrijwel hetzelfde is vanwege hetzelfde oppervlak voor warmtedissipatie; met andere woorden, de nominale stroom IDC van verschillende inductoren kan worden geschat. Verschillende series (pakketten) inductoren hebben verschillende thermische weerstanden. Tabel 3 vergelijkt de thermische weerstand van inductoren uit de TDK VLS6045EX-serie (halfafgeschermd) en SPM6530-serie (gegoten). Hoe groter de thermische weerstand, hoe hoger de temperatuurstijging die wordt gegenereerd wanneer de inductantie door de belastingsstroom stroomt; anders, hoe lager.

(2)

Tabel 2. Thermische weerstand van inductoren uit de VLS6045EX-serie bij een temperatuurstijging van 40˚C

Uit Tabel 3 blijkt dat zelfs als de grootte van de inductoren vergelijkbaar is, de thermische weerstand van de gestempelde inductoren laag is, dat wil zeggen dat de warmtedissipatie beter is.

(3)

Tabel 3. Vergelijking van thermische weerstand van verschillende inductoren.

6. Kernverlies

Kernverlies, ook wel ijzerverlies genoemd, wordt voornamelijk veroorzaakt door wervelstroomverlies en hysteresisverlies. De grootte van het wervelstroomverlies hangt vooral af van de vraag of het kernmateriaal gemakkelijk te “geleiden” is; als de geleidbaarheid hoog is, dat wil zeggen de soortelijke weerstand laag is, is het wervelstroomverlies hoog, en als de soortelijke weerstand van het ferriet hoog is, is het wervelstroomverlies relatief laag. Wervelstroomverlies houdt ook verband met de frequentie. Hoe hoger de frequentie, hoe groter het wervelstroomverlies. Daarom zal het kernmateriaal de juiste werkfrequentie van de kern bepalen. Over het algemeen kan de werkfrequentie van de ijzerpoederkern 1 MHz bereiken, en de werkfrequentie van ferriet kan 10 MHz bereiken. Als de werkfrequentie deze frequentie overschrijdt, zal het wervelstroomverlies snel toenemen en zal ook de temperatuur van de ijzeren kern stijgen. Met de snelle ontwikkeling van ijzeren kernmaterialen zouden ijzeren kernen met hogere bedrijfsfrequenties echter dichtbij moeten komen.

Een ander ijzerverlies is het hysteresisverlies, dat evenredig is met het gebied dat wordt omsloten door de hysteresiscurve, die verband houdt met de zwaaiamplitude van de AC-component van de stroom; hoe groter de AC-zwaai, hoe groter het hysteresisverlies.

In het equivalente circuit van een inductor wordt vaak een weerstand gebruikt die parallel is geschakeld met de inductor om het ijzerverlies uit te drukken. Wanneer de frequentie gelijk is aan SRF, heffen de inductieve reactantie en capacitieve reactantie elkaar op en is de equivalente reactantie nul. Op dit moment is de impedantie van de inductor gelijk aan de ijzerverliesweerstand in serie met de wikkelingsweerstand, en de ijzerverliesweerstand is veel groter dan de wikkelingsweerstand, dus de impedantie bij SRF is ongeveer gelijk aan de ijzerverliesweerstand. Als we een laagspanningsinductor als voorbeeld nemen, bedraagt ​​de weerstand tegen ijzerverlies ongeveer 20 kΩ. Als de effectieve spanningswaarde aan beide uiteinden van de inductor wordt geschat op 5V, bedraagt ​​het ijzerverlies ongeveer 1,25 mW, wat ook aantoont dat hoe groter de weerstand tegen ijzerverlies is, hoe beter.

7. Schildstructuur

De verpakkingsstructuur van ferrietinductoren omvat niet-afgeschermd, half afgeschermd met magnetische lijm en afgeschermd, en er zit een aanzienlijke luchtspleet in beide. Het is duidelijk dat de luchtspleet magnetische lekkage zal hebben, en in het ergste geval zal deze interfereren met de omringende kleine signaalcircuits, of als er magnetisch materiaal in de buurt is, zal de inductie ook veranderen. Een andere verpakkingsstructuur is een inductor van gestempeld ijzerpoeder. Omdat er geen opening in de inductor zit en de wikkelingsstructuur solide is, is het probleem van de dissipatie van het magnetische veld relatief klein. Figuur 10 is het gebruik van de FFT-functie van de RTO 1004-oscilloscoop om de grootte van het magnetische lekveld te meten op 3 mm boven en aan de zijkant van de gestempelde inductor. Tabel 4 geeft een overzicht van de vergelijking van het magnetische lekveld van inductoren met verschillende behuizingsstructuren. Het is duidelijk dat niet-afgeschermde inductoren de ernstigste magnetische lekkage hebben; gestempelde inductoren hebben de kleinste magnetische lekkage en vertonen het beste magnetische afschermingseffect. . Het verschil in de grootte van het magnetische lekveld van de inductoren van deze twee structuren is ongeveer 14 dB, wat bijna vijf keer is.

10

Figuur 10. De omvang van het magnetische lekveld gemeten op 3 mm boven en aan de zijkant van de gestempelde inductor

(4)

Tabel 4. Vergelijking van het magnetische lekveld van inductoren met verschillende behuizingsstructuren

8. koppeling

In sommige toepassingen zijn er soms meerdere sets DC-converters op de printplaat, die meestal naast elkaar zijn geplaatst, en de bijbehorende inductoren zijn ook naast elkaar opgesteld. Als u een niet-afgeschermd of een half-afgeschermd type met magnetische lijm gebruikt, kunnen inductoren met elkaar worden gekoppeld om EMI-interferentie te vormen. Daarom wordt aanbevolen om bij het plaatsen van de inductor eerst de polariteit van de inductor te markeren en het start- en wikkelpunt van de binnenste laag van de inductor aan te sluiten op de schakelspanning van de omzetter, zoals de VSW van een buck-omzetter. dat is het bewegende punt. De uitlaatterminal is verbonden met de uitgangscondensator, het statische punt; de koperdraadwikkeling vormt daardoor een zekere mate van elektrische veldafscherming. Bij de bedrading van de multiplexer helpt het fixeren van de polariteit van de inductantie om de grootte van de wederzijdse inductantie vast te stellen en enkele onverwachte EMI-problemen te voorkomen.

Toepassingen:

In het vorige hoofdstuk werden het kernmateriaal, de pakketstructuur en belangrijke elektrische kenmerken van de inductor besproken. In dit hoofdstuk wordt uitgelegd hoe u de juiste inductiewaarde van de buck-converter kiest en wat de overwegingen zijn bij het kiezen van een in de handel verkrijgbare inductor.

Zoals weergegeven in vergelijking (5), zullen de inductorwaarde en de schakelfrequentie van de omzetter de inductorrimpelstroom (ΔiL) beïnvloeden. De rimpelstroom van de inductor zal door de uitgangscondensator vloeien en de rimpelstroom van de uitgangscondensator beïnvloeden. Daarom zal dit de selectie van de uitgangscondensator beïnvloeden en de rimpelgrootte van de uitgangsspanning verder beïnvloeden. Bovendien zullen de inductiewaarde en de uitgangscapaciteitswaarde ook het feedbackontwerp van het systeem en de dynamische respons van de belasting beïnvloeden. Het kiezen van een grotere inductantiewaarde heeft minder stroombelasting op de condensator, is ook gunstig voor het verminderen van de rimpel van de uitgangsspanning en kan meer energie opslaan. Een grotere inductiewaarde duidt echter op een groter volume, dat wil zeggen hogere kosten. Daarom is bij het ontwerpen van de omzetter het ontwerp van de inductantiewaarde erg belangrijk.

(5)

Uit formule (5) blijkt dat wanneer de kloof tussen de ingangsspanning en de uitgangsspanning groter is, de rimpelstroom van de inductor groter zal zijn, wat de slechtste situatie is van het inductorontwerp. In combinatie met andere inductieve analyses moet het inductieontwerppunt van de step-down-omzetter doorgaans worden geselecteerd onder de omstandigheden van maximale ingangsspanning en volledige belasting.

Bij het ontwerpen van de inductantiewaarde is het noodzakelijk om een ​​afweging te maken tussen de rimpelstroom van de inductor en de grootte van de inductor, en de rimpelstroomfactor (rimpelstroomfactor; γ) wordt hier gedefinieerd, zoals in formule (6).

(6)

Door formule (6) te vervangen door formule (5), kan de inductantiewaarde worden uitgedrukt als formule (7).

(7)

Volgens formule (7) kan, wanneer het verschil tussen de ingangs- en uitgangsspanning groter is, de y-waarde groter worden geselecteerd; integendeel, als de ingangs- en uitgangsspanning dichter bij elkaar liggen, moet het γ-waardeontwerp kleiner zijn. Om te kiezen tussen de rimpelstroom van de inductor en de grootte, is γ, volgens de traditionele ontwerpervaringswaarde, gewoonlijk 0,2 tot 0,5. Hieronder wordt RT7276 als voorbeeld genomen om de berekening van de inductie en de selectie van in de handel verkrijgbare inductoren te illustreren.

Ontwerpvoorbeeld: Ontworpen met RT7276 geavanceerde constante aan-tijd (Advanced Constant On-Time; ACOTTM) synchrone rectificatie step-down converter, de schakelfrequentie is 700 kHz, de ingangsspanning is 4,5 V tot 18 V en de uitgangsspanning is 1,05 V . De volledige belastingsstroom bedraagt ​​3A. Zoals hierboven vermeld, moet de inductantiewaarde worden ontworpen onder de omstandigheden van de maximale ingangsspanning van 18V en de volledige belasting van 3A, de waarde van γ wordt genomen als 0,35 en de bovenstaande waarde wordt vervangen door vergelijking (7), de inductantie waarde is

Gebruik een inductor met een conventionele nominale inductiewaarde van 1,5 µH. Vervang formule (5) om de rimpelstroom van de inductor als volgt te berekenen.

Daarom is de piekstroom van de inductor gelijk

En de effectieve waarde van de inductorstroom (IRMS) is

Omdat de rimpelcomponent van de inductor klein is, is de effectieve waarde van de inductorstroom voornamelijk de DC-component ervan, en deze effectieve waarde wordt gebruikt als basis voor het selecteren van de nominale stroom IDC van de inductor. Bij een ontwerp met 80% derating (derating) zijn de inductantievereisten:

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

Tabel 5 geeft een overzicht van de beschikbare inductoren van verschillende series TDK, vergelijkbaar in grootte maar verschillend in pakketstructuur. Uit de tabel blijkt dat de verzadigingsstroom en nominale stroom van de gestempelde inductor (SPM6530T-1R5M) groot zijn, en dat de thermische weerstand klein is en de warmteafvoer goed is. Bovendien is, volgens de bespreking in het vorige hoofdstuk, het kernmateriaal van de gestempelde inductor een kern van ijzerpoeder, dus wordt deze vergeleken met de ferrietkern van de halfafgeschermde (VLS6045EX-1R5N) en afgeschermde (SLF7055T-1R5N) inductoren met magnetische lijm. , Heeft goede DC-bias-eigenschappen. Figuur 11 toont de efficiëntievergelijking van verschillende inductoren toegepast op de RT7276 geavanceerde constant-aan-tijd synchrone rectificatie step-down converter. Uit de resultaten blijkt dat het efficiëntieverschil tussen de drie niet significant is. Als u rekening houdt met warmtedissipatie, DC-voorspanningskarakteristieken en problemen met magnetische velddissipatie, wordt het aanbevolen om SPM6530T-1R5M-inductoren te gebruiken.

(5)

Tabel 5. Vergelijking van inductanties van verschillende series TDK

11

Figuur 11. Vergelijking van de efficiëntie van de converter met verschillende inductoren

Als u dezelfde pakketstructuur en inductantiewaarde kiest, maar inductoren van kleiner formaat, zoals SPM4015T-1R5M (4,4 x 4,1 x 1,5 mm), hoewel de grootte klein is, maar de DC-weerstand RDC (44,5 mΩ) en thermische weerstand ΘTH ( 51˚C) /W) Groter. Voor omzetters met dezelfde specificaties is de effectieve waarde van de door de inductor getolereerde stroom ook hetzelfde. Het is duidelijk dat de DC-weerstand de efficiëntie onder zware belasting zal verminderen. Bovendien betekent een grote thermische weerstand een slechte warmteafvoer. Daarom is het bij het kiezen van een inductor niet alleen nodig om de voordelen van een kleinere omvang in overweging te nemen, maar ook om de bijbehorende tekortkomingen te evalueren.

Tot slot

Inductantie is een van de meest gebruikte passieve componenten in schakelende stroomomzetters, die kunnen worden gebruikt voor energieopslag en filtering. Bij het ontwerpen van circuits moet echter niet alleen op de inductantiewaarde worden gelet, maar ook op andere parameters, waaronder AC-weerstand en Q-waarde, stroomtolerantie, ijzerkernverzadiging en pakketstructuur, enz. Houd er rekening mee bij het kiezen van een inductor. . Deze parameters houden meestal verband met het kernmateriaal, het productieproces en de grootte en kosten. Daarom introduceert dit artikel de kenmerken van verschillende ijzeren kernmaterialen en hoe u een geschikte inductantie kiest als referentie voor het ontwerp van de voeding.