haberler

Özet

İndüktörler, enerji depolama ve güç filtreleri gibi anahtarlama dönüştürücülerinde çok önemli bileşenlerdir. Farklı uygulamalar (düşük frekanstan yüksek frekansa) veya indüktörün özelliklerini etkileyen farklı çekirdek malzemeleri gibi birçok indüktör türü vardır. Anahtarlama dönüştürücülerinde kullanılan indüktörler yüksek frekanslı manyetik bileşenlerdir. Ancak malzemeler, çalışma koşulları (voltaj ve akım gibi) ve ortam sıcaklığı gibi çeşitli faktörler nedeniyle sunulan özellikler ve teoriler oldukça farklıdır. Bu nedenle devre tasarımında endüktans değerinin temel parametresine ek olarak, endüktörün empedansı ile AC direnci ve frekansı arasındaki ilişki, çekirdek kaybı ve doyma akımı özellikleri vb. yine de dikkate alınmalıdır. Bu makale birkaç önemli indüktör çekirdek malzemesini ve bunların özelliklerini tanıtacak ve aynı zamanda güç mühendislerine ticari olarak temin edilebilen standart indüktörleri seçme konusunda rehberlik edecektir.

Önsöz

İndüktör, belli sayıda bobinin (bobin) bir bobin veya çekirdek üzerine yalıtkan bir tel ile sarılmasıyla oluşturulan elektromanyetik indüksiyon bileşenidir. Bu bobine endüktans bobini veya İndüktör denir. Elektromanyetik indüksiyon prensibine göre, bobin ve manyetik alan birbirine göre hareket ettiğinde veya bobin alternatif akım yoluyla alternatif bir manyetik alan oluşturduğunda, orijinal manyetik alanın değişimine direnmek için indüklenen bir voltaj üretilecektir. ve akım değişimini sınırlandıran bu özelliğe endüktans denir.

Endüktans değerinin formülü formül (1) gibidir; manyetik geçirgenlik, sargı dönüşlerinin karesi N ve eşdeğer manyetik devre kesit alanı Ae ile orantılı, eşdeğer manyetik devre uzunluğu le ile ters orantılıdır. . Her biri farklı uygulamalara uygun olan birçok endüktans türü vardır; endüktans şekil, boyut, sarma yöntemi, sarım sayısı ve ara manyetik malzemenin türü ile ilgilidir.

(1)

Demir çekirdeğin şekline bağlı olarak endüktans toroidal, E çekirdeği ve tamburu içerir; Demir çekirdek malzemesi açısından esas olarak seramik çekirdek ve iki yumuşak manyetik tip vardır. Ferrit ve metalik tozlardır. Yapıya veya paketleme yöntemine bağlı olarak, tel sargılı, çok katmanlı ve kalıplanmış ve tel sargısı korumasız ve yarısı manyetik tutkallı Korumalı (yarı korumalı) ve korumalı (korumalı) vb. vardır.

İndüktör doğru akımda kısa devre gibi davranır ve alternatif akıma karşı yüksek empedans sunar. Devrelerdeki temel kullanımlar arasında boğulma, filtreleme, ayarlama ve enerji depolama yer alır. Anahtarlamalı dönüştürücünün uygulanmasında, indüktör en önemli enerji depolama bileşenidir ve çıkış voltajı dalgalanmasını azaltmak için çıkış kapasitörü ile alçak geçişli bir filtre oluşturur, bu nedenle filtreleme fonksiyonunda da önemli bir rol oynar.

Bu makale, devre tasarımı sırasında indüktörlerin seçiminde önemli bir değerlendirme referansı olarak indüktörlerin çeşitli çekirdek malzemelerini ve bunların özelliklerinin yanı sıra indüktörlerin bazı elektriksel özelliklerini tanıtacaktır. Uygulama örneğinde endüktans değerinin nasıl hesaplanacağı ve piyasada bulunan standart bir indüktörün nasıl seçileceği uygulamalı örnekler üzerinden anlatılacaktır.

Çekirdek malzemesi türü

Anahtarlama dönüştürücülerinde kullanılan indüktörler yüksek frekanslı manyetik bileşenlerdir. Merkezdeki çekirdek malzemesi en çok empedans ve frekans, endüktans değeri ve frekansı veya çekirdek doyma özellikleri gibi indüktörün özelliklerini etkiler. Aşağıda, güç indüktörlerinin seçiminde önemli bir referans olarak, yaygın olarak kullanılan birçok demir çekirdekli malzemenin ve bunların doyma özelliklerinin karşılaştırması sunulacaktır:

1. Seramik çekirdek

Seramik çekirdek yaygın endüktans malzemelerinden biridir. Esas olarak bobini sararken kullanılan destekleyici yapıyı sağlamak için kullanılır. Aynı zamanda “hava çekirdekli indüktör” olarak da adlandırılır. Kullanılan demir çekirdek, çok düşük sıcaklık katsayısına sahip, manyetik olmayan bir malzeme olduğundan, endüktans değeri, çalışma sıcaklığı aralığında çok kararlıdır. Ancak ortam olarak manyetik olmayan malzeme nedeniyle endüktans çok düşüktür ve bu da güç dönüştürücülerin uygulaması için pek uygun değildir.

2. Ferrit

Genel olarak yüksek frekanslı indüktörlerde kullanılan ferrit çekirdek, düşük zorlayıcılığa sahip yumuşak manyetik ferromanyetik bir malzeme olan nikel çinko (NiZn) veya manganez çinko (MnZn) içeren bir ferrit bileşiğidir. Şekil 1 genel bir manyetik çekirdeğin histerezis eğrisini (BH döngüsü) göstermektedir. Manyetik bir malzemenin zorlayıcı kuvvetine (HC) aynı zamanda zorlayıcı kuvvet de denir; bu, manyetik malzeme manyetik doyuma kadar mıknatıslandığında, mıknatıslanmasının (mıknatıslanmasının) o anda gerekli manyetik alan kuvvetinin sıfıra indirilmesi anlamına gelir. Daha düşük zorlayıcılık, manyetikliğin giderilmesine karşı daha düşük direnç anlamına gelir ve ayrıca daha düşük histerezis kaybı anlamına gelir.

Manganez-çinko ve nikel-çinko ferritleri nispeten yüksek bağıl geçirgenliğe (μr) sahiptir; sırasıyla yaklaşık 1500-15000 ve 100-1000. Yüksek manyetik geçirgenlikleri, demir çekirdeğin belirli bir hacimde daha yüksek olmasını sağlar. Endüktans. Bununla birlikte dezavantajı, tolere edilebilir doyma akımının düşük olmasıdır ve demir çekirdek doyuma ulaştığında manyetik geçirgenlik keskin bir şekilde düşecektir. Demir çekirdek doyduğunda ferrit ve toz demir çekirdeklerin manyetik geçirgenliğinin azalma eğilimi için Şekil 4'e bakın. Karşılaştırmak. Güç indüktörlerinde kullanıldığında, ana manyetik devrede geçirgenliği azaltabilecek, doygunluğu önleyebilecek ve daha fazla enerji depolayabilecek bir hava boşluğu bırakılacaktır; hava boşluğu dahil edildiğinde eşdeğer bağıl geçirgenlik yaklaşık 20-200 arasında olabilir. Malzemenin kendisinin yüksek özdirenci girdap akımının neden olduğu kaybı azaltabildiğinden, yüksek frekanslarda kayıp daha düşük olup, yüksek frekanslı transformatörler, EMI filtre indüktörleri ve güç dönüştürücülerin enerji depolama indüktörleri. Çalışma frekansı açısından nikel-çinko ferrit (>1 MHz), manganez-çinko ferrit ise daha düşük frekans bantları (<2 MHz) için uygundur.

1

Şekil 1. Manyetik çekirdeğin histerezis eğrisi (BR: kalıcılık; BSAT: doygunluk manyetik akı yoğunluğu)

3. Toz demir çekirdek

Toz demir çekirdekler aynı zamanda yumuşak manyetik ferromanyetik malzemelerdir. Farklı malzemelerin demir tozu alaşımlarından veya yalnızca demir tozundan yapılırlar. Formül, farklı parçacık boyutlarına sahip manyetik olmayan malzemeler içerir, dolayısıyla doyma eğrisi nispeten yumuşaktır. Toz demir çekirdek çoğunlukla toroidaldir. Şekil 2, toz demir çekirdeği ve onun kesit görünüşünü göstermektedir.

Yaygın toz haline getirilmiş demir çekirdekler arasında demir-nikel-molibden alaşımı (MPP), sendust (Sendust), demir-nikel alaşımı (yüksek akı) ve demir tozu çekirdeği (demir tozu) bulunur. Farklı bileşenler nedeniyle özellikleri ve fiyatları da farklıdır ve bu da indüktör seçimini etkiler. Aşağıda yukarıda belirtilen çekirdek türleri tanıtılacak ve özellikleri karşılaştırılacaktır:

A. Demir-nikel-molibden alaşımı (MPP)

Fe-Ni-Mo alaşımı, molipermalloy tozunun kısaltması olan MPP olarak kısaltılır. Bağıl geçirgenlik yaklaşık 14-500'dür ve doyma manyetik akı yoğunluğu yaklaşık 7500 Gauss'tur (Gauss), bu da ferritin doyma manyetik akı yoğunluğundan (yaklaşık 4000-5000 Gauss) daha yüksektir. Birçoğu dışarıda. MPP en küçük demir kaybına sahiptir ve toz demir çekirdekler arasında en iyi sıcaklık stabilitesine sahiptir. Harici DC akımı ISAT doyma akımına ulaştığında, endüktans değeri ani bir zayıflama olmadan yavaş yavaş azalır. MPP daha iyi performansa sahiptir ancak maliyeti daha yüksektir ve genellikle güç indüktörü ve güç dönüştürücüler için EMI filtrelemesi olarak kullanılır.

B. Sendust

Demir-silikon-alüminyum alaşımlı demir çekirdek, yaklaşık 26 ila 125 arasında göreceli manyetik geçirgenliğe sahip, demir, silikon ve alüminyumdan oluşan bir alaşımlı demir çekirdektir. Demir kaybı, demir tozu çekirdek ile MPP ve demir-nikel alaşımı arasındadır. . Doyma manyetik akı yoğunluğu MPP'den daha yüksektir, yaklaşık 10500 Gauss. Sıcaklık kararlılığı ve doyma akımı özellikleri MPP ve demir-nikel alaşımından biraz daha düşüktür, ancak demir tozu çekirdek ve ferrit çekirdekten daha iyidir ve göreceli maliyet MPP ve demir-nikel alaşımından daha ucuzdur. Çoğunlukla EMI filtrelemede, güç faktörü düzeltme (PFC) devrelerinde ve anahtarlamalı güç dönüştürücülerin güç endüktörlerinde kullanılır.

C. Demir-nikel alaşımı (yüksek akı)

Demir-nikel alaşımlı çekirdek demir ve nikelden yapılmıştır. Bağıl manyetik geçirgenlik yaklaşık 14-200'dür. Demir kaybı ve sıcaklık stabilitesi MPP ile demir-silikon-alüminyum alaşımı arasındadır. Demir-nikel alaşımlı çekirdek, yaklaşık 15.000 Gauss ile en yüksek doygunluk manyetik akı yoğunluğuna sahiptir ve daha yüksek DC öngerilim akımlarına dayanabilir ve DC öngerilim özellikleri de daha iyidir. Uygulama kapsamı: Aktif güç faktörü düzeltmesi, enerji depolama endüktansı, filtre endüktansı, geri dönüş dönüştürücünün yüksek frekanslı transformatörü vb.

D. Demir tozu

Demir tozu çekirdeği, birbirinden yalıtılmış, çok küçük parçacıklara sahip, yüksek saflıkta demir tozu parçacıklarından yapılmıştır. Üretim süreci, dağıtılmış bir hava boşluğuna sahip olmasını sağlar. Halka şekline ek olarak, yaygın demir tozu çekirdek şekilleri aynı zamanda E tipi ve damgalama tiplerine de sahiptir. Demir tozu çekirdeğinin göreceli manyetik geçirgenliği yaklaşık 10 ila 75'tir ve yüksek doygunluk manyetik akı yoğunluğu yaklaşık 15000 Gauss'tur. Toz demir maçalar arasında demir kaybı en yüksek fakat maliyeti en düşük olan maça demir tozu maçadır.

Şekil 3, TDK tarafından üretilen PC47 manganez-çinko ferritinin ve MICROMETALS tarafından üretilen -52 ve -2 toz demir çekirdeklerinin BH eğrilerini göstermektedir; manganez-çinko ferritin göreceli manyetik geçirgenliği toz demir çekirdeklerden çok daha yüksektir ve doymuştur. Manyetik akı yoğunluğu da çok farklıdır, ferrit yaklaşık 5000 Gauss'tur ve demir tozu çekirdeği 10000 Gauss'tan fazladır.

3

Şekil 3. Farklı malzemelerden manganez-çinko ferrit ve demir tozu çekirdeklerinin BH eğrisi

Özetle demir çekirdeğin doyma özellikleri farklıdır; Doyma akımı aşıldığında ferrit çekirdeğin manyetik geçirgenliği keskin bir şekilde düşerken, demir tozu çekirdeği yavaş yavaş azalabilir. Şekil 4, aynı manyetik geçirgenliğe sahip bir toz demir çekirdeğin ve farklı manyetik alan kuvvetleri altında hava boşluğuna sahip bir ferritin manyetik geçirgenlik düşüş özelliklerini göstermektedir. Bu aynı zamanda ferrit çekirdeğin endüktansını da açıklar, çünkü çekirdek doyduğunda geçirgenlik keskin bir şekilde düşer, denklem (1)'den görülebileceği gibi, aynı zamanda endüktansın da keskin bir şekilde düşmesine neden olur; Toz çekirdek dağıtılmış hava boşluğuna sahipken, demir çekirdek doyduğunda manyetik geçirgenlik oranı yavaş yavaş azalır, bu nedenle endüktans daha yavaş azalır, yani daha iyi DC öngerilim özelliklerine sahiptir. Güç dönüştürücülerin uygulanmasında bu özellik çok önemlidir; İndüktörün yavaş doyma özelliği iyi değilse, indüktör akımı doyma akımına yükselir ve endüktanstaki ani düşüş, anahtarlama kristalinin akım geriliminin keskin bir şekilde artmasına neden olur, bu da hasara neden olması kolaydır.

4

Şekil 4. Farklı manyetik alan kuvveti altında hava boşluğuna sahip toz demir çekirdek ve ferrit demir çekirdeğin manyetik geçirgenlik düşüş özellikleri.

İndüktörün elektriksel özellikleri ve paket yapısı

Bir anahtarlama dönüştürücüsü tasarlarken ve bir indüktör seçerken, endüktans değeri L, empedans Z, AC direnci ACR ve Q değeri (kalite faktörü), nominal akım IDC ve ISAT ve çekirdek kaybı (çekirdek kaybı) ve diğer önemli elektriksel özelliklerin tümü dikkate alınmalıdır. dikkate alınmalıdır. Ayrıca indüktörün paketleme yapısı manyetik sızıntının büyüklüğünü etkileyecektir ve bu da EMI'yi etkileyecektir. Aşağıda indüktör seçiminde dikkate alınması gereken hususlar olarak yukarıda belirtilen özellikler ayrı ayrı tartışılacaktır.

1. Endüktans değeri (L)

Bir indüktörün endüktans değeri devre tasarımında en önemli temel parametredir ancak endüktans değerinin çalışma frekansında stabil olup olmadığı kontrol edilmelidir. Endüktansın nominal değeri genellikle harici bir DC sapması olmadan 100 kHz veya 1 MHz'de ölçülür. Ve seri otomatik üretim olasılığını sağlamak için indüktörün toleransı genellikle ±%20 (M) ve ±%30 (N)'dir. Şekil 5, Taiyo Yuden indüktörü NR4018T220M'nin Wayne Kerr'in LCR ölçeri ile ölçülen endüktans-frekans karakteristik grafiğidir. Şekilde görüldüğü gibi endüktans değeri eğrisi 5 MHz öncesinde nispeten düzdür ve endüktans değeri neredeyse sabit kabul edilebilir. Yüksek frekans bandında parazitik kapasitans ve endüktansın oluşturduğu rezonans nedeniyle endüktans değeri artacaktır. Bu rezonans frekansına kendi kendine rezonans frekansı (SRF) denir ve genellikle çalışma frekansından çok daha yüksek olması gerekir.

5

Şekil 5, Taiyo Yuden NR4018T220M endüktans-frekans karakteristiği ölçüm diyagramı

2. Empedans (Z)

Şekil 6'da gösterildiği gibi empedans diyagramı, endüktansın farklı frekanslardaki performansından da görülebilmektedir. İndüktörün empedansı yaklaşık olarak frekansla orantılıdır (Z=2πfL), dolayısıyla frekans ne kadar yüksek olursa, reaktans AC direncinden çok daha büyük olacaktır, dolayısıyla empedans saf bir endüktans gibi davranır (faz 90˚'dir). Yüksek frekanslarda parazitik kapasitans etkisi nedeniyle empedansın kendi kendine rezonans frekans noktası görülebilir. Bu noktadan sonra empedans düşerek kapasitif hale gelir ve faz giderek -90˚'ye değişir.

6

3. Q değeri ve AC direnci (ACR)

Endüktans tanımındaki Q değeri, formül (2)'deki gibi reaktansın dirence oranı, yani empedansın sanal kısmının gerçek kısmına oranıdır.

(2)

XL, indüktörün reaktansı ve RL, indüktörün AC direncidir.

Düşük frekans aralığında AC direnci, endüktansın neden olduğu reaktanstan daha büyüktür, dolayısıyla Q değeri çok düşüktür; frekans arttıkça, cilt etkisi (deri etkisi) ve yakınlık (yakınlık) etkisi nedeniyle direnç olsa bile reaktans (yaklaşık 2πfL) giderek büyür. Etki giderek büyür ve Q değeri frekansla birlikte artar. ; SRF'ye yaklaşıldığında, endüktif reaktans yavaş yavaş kapasitif reaktans tarafından dengelenir ve Q değeri giderek küçülür; SRF sıfır olduğunda, endüktif reaktans ve kapasitif reaktans tamamen aynı olduğundan kaybolur. Şekil 7'de NR4018T220M'nin Q değeri ile frekansı arasındaki ilişki gösterilmekte olup, ilişki ters çan şeklindedir.

7

Şekil 7. Taiyo Yuden indüktörü NR4018T220M'nin Q değeri ile frekansı arasındaki ilişki

Endüktansın uygulama frekans bandında, Q değeri ne kadar yüksek olursa o kadar iyidir; bu, reaktansının AC direncinden çok daha büyük olduğu anlamına gelir. Genel olarak konuşursak en iyi Q değeri 40'ın üzerindedir, bu da indüktörün kalitesinin iyi olduğu anlamına gelir. Ancak genel olarak DC öngerilim arttıkça endüktans değeri azalacak ve Q değeri de azalacaktır. Düz emaye tel veya çok telli emaye tel kullanılırsa cilt etkisi yani AC direnci azaltılabilir ve indüktörün Q değeri de artırılabilir.

DC direnci DCR genel olarak bakır telin DC direnci olarak kabul edilir ve direnç tel çapına ve uzunluğuna göre hesaplanabilir. Bununla birlikte, düşük akımlı SMD indüktörlerinin çoğu, SMD'nin bakır levhasını sarım terminalinde yapmak için ultrasonik kaynak kullanacaktır. Ancak bakır telin uzunluğu çok uzun olmadığından ve direnç değeri yüksek olmadığından kaynak direnci genellikle toplam DC direncinin önemli bir kısmını oluşturur. TDK'nın tel sargılı SMD indüktörü CLF6045NIT-1R5N'yi örnek alırsak, ölçülen DC direnci 14,6mΩ, tel çapı ve uzunluğuna göre hesaplanan DC direnci ise 12,1mΩ'dur. Sonuçlar, bu kaynak direncinin genel DC direncinin yaklaşık %17'sini oluşturduğunu göstermektedir.

AC direnci ACR'nin cilt etkisi ve yakınlık etkisi vardır, bu da ACR'nin frekansla birlikte artmasına neden olur; genel endüktans uygulamasında, AC bileşeni DC bileşeninden çok daha düşük olduğundan, ACR'nin neden olduğu etki açık değildir; ancak hafif yükte, DC bileşeni azaldığı için ACR'nin neden olduğu kayıp göz ardı edilemez. Cilt etkisi, AC koşulları altında iletken içindeki akım dağılımının eşit olmadığı ve tel yüzeyinde yoğunlaştığı, bunun sonucunda eşdeğer tel kesit alanında bir azalmaya yol açtığı ve bunun da telin eşdeğer direncini arttırdığı anlamına gelir. sıklık. Ek olarak, bir tel sarımında bitişik teller, akıma bağlı olarak manyetik alanların toplanmasına ve çıkarılmasına neden olacaktır, böylece akım, tele bitişik yüzeyde (veya akımın yönüne bağlı olarak en uzak yüzeyde) yoğunlaşacaktır. ), bu aynı zamanda eşdeğer kablo müdahalesine de neden olur. Alanın azalması ve eşdeğer direncin artması olgusu yakınlık etkisi olarak adlandırılır; çok katmanlı bir sargının endüktans uygulamasında yakınlık etkisi daha da belirgindir.

8

Şekil 8, tel sarılı SMD indüktörü NR4018T220M'nin AC direnci ile frekansı arasındaki ilişkiyi göstermektedir. 1kHz frekansta direnç yaklaşık 360mΩ'dur; 100kHz'de direnç 775mΩ'a yükselir; 10MHz'de direnç değeri 160Ω'a yakındır. Bakır kaybını tahmin ederken, hesaplamada yüzey ve yakınlık etkilerinden kaynaklanan ACR dikkate alınmalı ve formül (3)'e göre değiştirilmelidir.

4. Doyma akımı (ISAT)

Doyma akımı ISAT genellikle endüktans değeri %10, %30 veya %40 gibi zayıflatıldığında işaretlenen öngerilim akımıdır. Hava boşluklu ferrit için doyma akımı karakteristiği çok hızlı olduğundan %10 ile %40 arasında pek bir fark yoktur. Şekil 4'e bakın. Bununla birlikte, demir tozu çekirdeği (damgalı indüktör gibi) ise, doyma eğrisi nispeten yumuşaktır, Şekil 9'da gösterildiği gibi, endüktans zayıflamasının %10 veya %40'ındaki öngerilim akımı çok fazladır. Farklıdır, bu nedenle doyma akımı değeri iki tip demir çekirdek için ayrı ayrı tartışılacaktır.

Hava aralıklı ferrit için devre uygulamalarında maksimum indüktör akımının üst sınırı olarak ISAT'ın kullanılması mantıklıdır. Ancak demir tozu çekirdek ise yavaş doyma özelliğinden dolayı uygulama devresinin maksimum akımı ISAT'ı aşsa bile sorun yaşanmayacaktır. Bu nedenle, bu demir çekirdek özelliği, anahtarlama dönüştürücü uygulamaları için en uygun olanıdır. Ağır yük altında, Şekil 9'da gösterildiği gibi indüktörün endüktans değeri düşük olmasına rağmen akım dalgalanma faktörü yüksek ancak akım kapasitörünün akım toleransı yüksek olduğundan sorun olmayacaktır. Hafif yük altında indüktörün endüktans değeri daha büyüktür, bu da indüktörün dalgalı akımının azaltılmasına yardımcı olur ve böylece demir kaybı azalır. Şekil 9, aynı nominal endüktans değeri altında TDK'nın sarımlı ferrit SLF7055T1R5N ve damgalı demir tozu çekirdekli indüktör SPM6530T1R5M'nin doyma akım eğrisini karşılaştırır.

9

Şekil 9. Aynı nominal endüktans değeri altında sarılı ferrit ve damgalı demir tozu çekirdeğinin doyma akım eğrisi

5. Nominal akım (IDC)

IDC değeri, indüktör sıcaklığı Tr˚C'ye yükseldiğinde DC öngerilimidir. Spesifikasyonlar ayrıca 20˚C'deki DC direnç değerini RDC'yi de gösterir. Bakır telin sıcaklık katsayısına göre 3.930 ppm civarında olup, Tr sıcaklığı yükseldiğinde direnç değeri RDC_Tr = RDC (1+0.00393Tr), güç tüketimi ise PCU = I2DCxRDC olmaktadır. Bu bakır kaybı indüktörün yüzeyinde dağılır ve indüktörün termal direnci ΘTH hesaplanabilir:

(2)

Tablo 2, TDK VLS6045EX serisinin (6,0×6,0×4,5 mm) veri sayfasına atıfta bulunur ve 40˚C sıcaklık artışındaki termal direnci hesaplar. Açıkçası, aynı seri ve boyuttaki indüktörler için hesaplanan termal direnç, aynı yüzey ısı dağıtım alanı nedeniyle neredeyse aynıdır; başka bir deyişle, farklı indüktörlerin nominal akım IDC'si tahmin edilebilir. Farklı indüktör serileri (paketleri) farklı termal dirençlere sahiptir. Tablo 3, TDK VLS6045EX serisi (yarı korumalı) ve SPM6530 serisi (kalıplı) indüktörlerin termal direncini karşılaştırmaktadır. Termal direnç ne kadar büyük olursa, endüktans yük akımından aktığında oluşan sıcaklık artışı da o kadar yüksek olur; aksi halde daha düşük.

(2)

Tablo 2. VLS6045EX serisi endüktörlerin 40˚C sıcaklık artışındaki termal direnci

Tablo 3'ten indüktörlerin boyutları benzer olsa bile damgalı indüktörlerin ısıl direncinin düşük olduğu yani ısı dağılımının daha iyi olduğu görülmektedir.

(3)

Tablo 3. Farklı paket indüktörlerin termal dirençlerinin karşılaştırılması.

6. Çekirdek kaybı

Demir kaybı olarak adlandırılan çekirdek kaybı esas olarak girdap akımı kaybı ve histerezis kaybından kaynaklanır. Girdap akımı kaybının boyutu esas olarak çekirdek malzemenin "iletilmesinin" kolay olup olmadığına bağlıdır; iletkenlik yüksekse, yani özdirenç düşükse, girdap akımı kaybı yüksektir, ferritin direnci yüksekse, girdap akımı kaybı nispeten düşüktür. Girdap akımı kaybı aynı zamanda frekansla da ilgilidir. Frekans ne kadar yüksek olursa girdap akımı kaybı da o kadar büyük olur. Bu nedenle çekirdek malzemesi, çekirdeğin uygun çalışma frekansını belirleyecektir. Genel olarak konuşursak, demir tozu çekirdeğinin çalışma frekansı 1MHz'e, ferritin çalışma frekansı ise 10MHz'e ulaşabilir. Çalışma frekansı bu frekansı aşarsa girdap akımı kaybı hızla artacak ve demir çekirdek sıcaklığı da artacaktır. Ancak demir çekirdek malzemelerinin hızla gelişmesiyle birlikte, daha yüksek çalışma frekansına sahip demir çekirdeklerin çok yakında olması gerekiyor.

Diğer bir demir kaybı, akımın AC bileşeninin salınım genliği ile ilişkili olan histerezis eğrisinin çevrelediği alanla orantılı olan histerezis kaybıdır; AC salınımı ne kadar büyük olursa, histerezis kaybı da o kadar büyük olur.

Bir indüktörün eşdeğer devresinde demir kaybını ifade etmek için genellikle indüktöre paralel bağlanan bir direnç kullanılır. Frekans SRF'ye eşit olduğunda endüktif reaktans ve kapasitif reaktans birbirini götürür ve eşdeğer reaktans sıfırdır. Şu anda, indüktörün empedansı, sarım direnci ile seri halindeki demir kaybı direncine eşdeğerdir ve demir kaybı direnci, sarım direncinden çok daha büyüktür, bu nedenle SRF'deki empedans, demir kaybı direncine yaklaşık olarak eşittir. Örnek olarak düşük voltajlı bir indüktörün demir kaybı direnci yaklaşık 20kΩ'dur. İndüktörün her iki ucundaki etkin değer voltajının 5V olduğu tahmin edilirse, demir kaybının yaklaşık 1,25mW olması da demir kaybı direnci ne kadar büyük olursa o kadar iyi olduğunu gösterir.

7. Kalkan yapısı

Ferrit indüktörlerin ambalaj yapısı blendajsız, manyetik tutkallı yarı blendajlı ve blendajlı olmak üzere her ikisinde de önemli miktarda hava boşluğu bulunmaktadır. Açıkçası, hava boşluğunda manyetik sızıntı olacak ve en kötü durumda çevredeki küçük sinyal devrelerine müdahale edecek veya yakınlarda manyetik bir malzeme varsa onun endüktansı da değişecektir. Başka bir ambalaj yapısı damgalı demir tozu indüktörüdür. İndüktörün içinde boşluk olmadığından ve sargı yapısı sağlam olduğundan, manyetik alan yayılımı sorunu nispeten küçüktür. Şekil 10, damgalı indüktörün 3 mm üstünde ve yanında kaçak manyetik alanın büyüklüğünü ölçmek için RTO 1004 osiloskopunun FFT fonksiyonunun kullanımıdır. Tablo 4'te farklı paket yapılı indüktörlerin kaçak manyetik alanının karşılaştırması listelenmektedir. En ciddi manyetik sızıntının ekransız indüktörlerde olduğu görülebilir; Damgalı indüktörler en küçük manyetik sızıntıya sahiptir ve en iyi manyetik koruma etkisini gösterir. . Bu iki yapının indüktörlerinin kaçak manyetik alanının büyüklüğü arasındaki fark yaklaşık 14dB'dir, bu da neredeyse 5 katıdır.

10

Şekil 10. Damgalı indüktörün 3 mm üstünde ve yanında ölçülen kaçak manyetik alanın büyüklüğü

(4)

Tablo 4. Farklı paket yapılı indüktörlerin kaçak manyetik alanının karşılaştırılması

8. bağlantı

Bazı uygulamalarda bazen PCB üzerinde genellikle yan yana düzenlenmiş birden fazla DC dönüştürücü seti bulunur ve bunlara karşılık gelen indüktörler de yan yana düzenlenir. Manyetik yapışkanlı, blendajsız veya yarı blendajlı tip kullanıyorsanız İndüktörler, EMI girişimi oluşturacak şekilde birbirine bağlanabilir. Bu nedenle, indüktörü yerleştirirken, önce indüktörün polaritesinin işaretlenmesi ve indüktörün en iç katmanının başlangıç ​​ve sarım noktasının, bir dönüştürücünün VSW'si gibi dönüştürücünün anahtarlama voltajına bağlanması önerilir. hareketli nokta burası. Çıkış terminali, statik nokta olan çıkış kapasitörüne bağlanır; bakır tel sargısı bu nedenle belirli bir derecede elektrik alanı koruması oluşturur. Çoklayıcının kablolama düzenlemesinde, endüktansın polaritesinin sabitlenmesi, karşılıklı endüktansın büyüklüğünün sabitlenmesine ve bazı beklenmedik EMI sorunlarının önlenmesine yardımcı olur.

Uygulamalar:

Önceki bölümde indüktörün çekirdek malzemesi, paket yapısı ve önemli elektriksel özellikleri tartışılmıştı. Bu bölümde, düşürücü dönüştürücünün uygun endüktans değerinin nasıl seçileceği ve ticari olarak temin edilebilen bir indüktörün seçilmesiyle ilgili hususlar açıklanacaktır.

Denklem (5)'te gösterildiği gibi, dönüştürücünün endüktör değeri ve anahtarlama frekansı, endüktör dalgalanma akımını (ΔiL) etkileyecektir. İndüktör dalgalanma akımı çıkış kapasitöründen akacak ve çıkış kapasitörünün dalgalanma akımını etkileyecektir. Bu nedenle, çıkış kapasitörünün seçimini etkileyecek ve ayrıca çıkış voltajının dalgalanma boyutunu da etkileyecektir. Ayrıca endüktans değeri ve çıkış kapasitans değeri de sistemin geri besleme tasarımını ve yükün dinamik tepkisini etkileyecektir. Daha büyük bir endüktans değeri seçmek, kapasitör üzerindeki akım stresini azaltır ve aynı zamanda çıkış voltajı dalgalanmasını azaltmak ve daha fazla enerji depolayabilmek açısından da faydalıdır. Ancak daha büyük bir endüktans değeri daha büyük bir hacmi, yani daha yüksek bir maliyeti gösterir. Bu nedenle dönüştürücüyü tasarlarken endüktans değerinin tasarımı çok önemlidir.

(5)

Formül (5)'ten, giriş voltajı ile çıkış voltajı arasındaki boşluk ne kadar büyük olursa, indüktör dalgalanma akımının da o kadar büyük olacağı görülebilmektedir ki bu, indüktör tasarımının en kötü durumudur. Diğer endüktif analizlerle birleştirildiğinde, düşürücü dönüştürücünün endüktans tasarım noktası genellikle maksimum giriş voltajı ve tam yük koşulları altında seçilmelidir.

Endüktans değerini tasarlarken, indüktör dalgalanma akımı ile indüktör boyutu arasında bir denge kurmak gerekir ve dalgalanma akım faktörü (dalgalanma akım faktörü; γ), formül (6)'daki gibi burada tanımlanır.

(6)

Formül (6)'nın formül (5) ile değiştirilmesiyle endüktans değeri formül (7) olarak ifade edilebilir.

(7)

Formül (7)'ye göre giriş ve çıkış gerilimi arasındaki fark büyük olduğunda γ değeri daha büyük seçilebilir; aksine giriş ve çıkış gerilimi birbirine yakınsa γ değeri tasarımı daha küçük olmalıdır. İndüktör dalgalanma akımı ve boyutu arasında seçim yapmak için, geleneksel tasarım deneyimi değerine göre γ genellikle 0,2 ila 0,5 arasındadır. Aşağıda endüktansın hesaplanmasını ve ticari olarak temin edilebilen indüktörlerin seçimini göstermek için RT7276 örnek olarak alınmıştır.

Tasarım örneği: RT7276 gelişmiş sabit açık zamanlı (Gelişmiş Sabit Açma Süresi; ACOTTM) senkron düzeltme düşürücü dönüştürücü ile tasarlanmıştır, anahtarlama frekansı 700 kHz, giriş voltajı 4,5V - 18V ve çıkış voltajı 1,05V'dur. . Tam yük akımı 3A'dır. Yukarıda belirtildiği gibi endüktans değeri, maksimum giriş voltajı 18V ve tam yük 3A koşullarında tasarlanmalı, γ değeri 0,35 olarak alınmalı ve yukarıdaki değer denklem (7)'de yerine konulmalıdır, endüktans değer

Geleneksel nominal endüktans değeri 1,5 µH olan bir indüktör kullanın. İndüktör dalgalanma akımını aşağıdaki gibi hesaplamak için formül (5)'i değiştirin.

Bu nedenle, indüktörün tepe akımı

Ve indüktör akımının (IRMS) etkin değeri:

İndüktör dalgalanma bileşeni küçük olduğundan, indüktör akımının etkin değeri esas olarak DC bileşenidir ve bu etkin değer, indüktörün nominal akımı IDC'nin seçiminde temel olarak kullanılır. %80 değer kaybı (değer kaybı) tasarımıyla endüktans gereksinimleri şunlardır:

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

Tablo 5, boyut olarak benzer ancak paket yapısı farklı olan farklı TDK serilerinin mevcut indüktörlerini listelemektedir. Damgalı indüktörün (SPM6530T-1R5M) doyma akımının ve nominal akımının büyük olduğu, termal direncin küçük olduğu ve ısı dağılımının iyi olduğu tablodan görülebilir. Ayrıca önceki bölümdeki tartışmaya göre damgalı indüktörün çekirdek malzemesi demir tozu çekirdeğidir, dolayısıyla yarı ekranlı (VLS6045EX-1R5N) ve ekranlı (SLF7055T-1R5N) indüktörlerin ferrit çekirdeği ile karşılaştırılmıştır. manyetik yapıştırıcı ile. , İyi DC öngerilim özelliklerine sahiptir. Şekil 11, RT7276 gelişmiş sabit zamanlı senkron düzeltme düşürücü dönüştürücüye uygulanan farklı indüktörlerin verimlilik karşılaştırmasını göstermektedir. Sonuçlar, üçü arasındaki verimlilik farkının önemli olmadığını göstermektedir. Isı dağılımı, DC öngerilim özellikleri ve manyetik alan dağılımı sorunlarını dikkate alırsanız SPM6530T-1R5M indüktörlerin kullanılması önerilir.

(5)

Tablo 5. Farklı TDK serilerinin endüktanslarının karşılaştırılması

11

Şekil 11. Farklı indüktörlerle dönüştürücü verimliliğinin karşılaştırılması

Aynı paket yapısını ve endüktans değerini seçerseniz, ancak SPM4015T-1R5M (4.4×4.1×1.5mm) gibi daha küçük boyutlu indüktörler seçerseniz, boyutu küçük olmasına rağmen DC direnci RDC (44.5mΩ) ve termal direnç ΘTH ( 51˚C) /W) Daha büyük. Aynı özelliklere sahip dönüştürücüler için indüktörün tolere ettiği akımın etkin değeri de aynıdır. Açıkçası, DC direnci ağır yük altında verimliliği azaltacaktır. Ayrıca büyük termal direnç, zayıf ısı dağılımı anlamına gelir. Bu nedenle, bir indüktör seçerken, yalnızca küçültülmüş boyutun faydalarını dikkate almak değil, aynı zamanda beraberindeki eksiklikleri de değerlendirmek gerekir.

Sonuç olarak

Endüktans, enerji depolama ve filtreleme için kullanılabilen, anahtarlamalı güç dönüştürücülerinde yaygın olarak kullanılan pasif bileşenlerden biridir. Ancak devre tasarımında dikkat edilmesi gereken sadece endüktans değeri değildir, aynı zamanda AC direnci ve Q değeri, akım toleransı, demir çekirdek doygunluğu ve paket yapısı gibi diğer parametreler de dikkate alınması gereken parametrelerdir. Bir indüktör seçerken dikkate alınmalıdır. . Bu parametreler genellikle çekirdek malzeme, üretim süreci, boyut ve maliyetle ilgilidir. Bu nedenle, bu makale farklı demir çekirdekli malzemelerin özelliklerini ve güç kaynağı tasarımı için referans olarak uygun endüktansın nasıl seçileceğini tanıtmaktadır.