ziņas

Kopsavilkums

Induktori ir ļoti svarīgas sastāvdaļas komutācijas pārveidotājos, piemēram, enerģijas uzglabāšanas un jaudas filtri. Ir daudz veidu induktoru, piemēram, dažādiem lietojumiem (no zemas frekvences līdz augstfrekvences), vai dažādi serdes materiāli, kas ietekmē induktora raksturlielumus utt. Induktori, ko izmanto komutācijas pārveidotājos, ir augstfrekvences magnētiskie komponenti. Tomēr dažādu faktoru, piemēram, materiālu, darbības apstākļu (piemēram, sprieguma un strāvas) un apkārtējās vides temperatūras dēļ piedāvātās īpašības un teorijas ir diezgan atšķirīgas. Tāpēc ķēdes projektēšanā papildus induktivitātes vērtības pamatparametram joprojām ir jāņem vērā saistība starp induktora pretestību un maiņstrāvas pretestību un frekvenci, serdes zudumu un piesātinājuma strāvas raksturlielumiem utt. Šajā rakstā tiks iepazīstināti ar vairākiem svarīgiem induktora serdeņu materiāliem un to īpašībām, kā arī enerģētikas inženieriem tiks sniegti norādījumi par komerciāli pieejamo standarta induktoru izvēli.

Priekšvārds

Induktors ir elektromagnētiskās indukcijas sastāvdaļa, ko veido, uztinot noteiktu skaitu spoļu (spoli) uz spoles vai serdes ar izolētu vadu. Šo spoli sauc par induktivitātes spoli vai induktors. Saskaņā ar elektromagnētiskās indukcijas principu, kad spole un magnētiskais lauks pārvietojas viens pret otru vai spole ar maiņstrāvu ģenerē mainīgu magnētisko lauku, tiks ģenerēts inducēts spriegums, kas pretojas sākotnējā magnētiskā lauka izmaiņām, un šo strāvas izmaiņu ierobežošanas raksturlielumu sauc par induktivitāti.

Induktivitātes vērtības formula ir formula (1), kas ir proporcionāla magnētiskajai caurlaidībai, tinuma pagriezienu kvadrātam N un ekvivalentajam magnētiskās ķēdes šķērsgriezuma laukumam Ae, un ir apgriezti proporcionāla ekvivalentam magnētiskās ķēdes garumam le . Ir daudz veidu induktivitātes, katrs piemērots dažādiem lietojumiem; induktivitāte ir saistīta ar formu, izmēru, tinumu metodi, apgriezienu skaitu un starpposma magnētiskā materiāla veidu.

(1)

Atkarībā no dzelzs serdes formas induktivitāte ietver toroidālo, E serdi un cilindru; Runājot par dzelzs serdes materiālu, galvenokārt ir keramikas serdeņi un divi mīksti magnētiski veidi. Tie ir ferīta un metāla pulveris. Atkarībā no struktūras vai iepakošanas metodes ir stieples, kas ir uztītas, daudzslāņu un formētas, un stieple ir neekranēta un puse no magnētiskās līmes Ekranēta (daļēji ekranēta) un ekranēta (ekranēta) utt.

Induktors darbojas kā īssavienojums tiešā strāvā un rada lielu pretestību maiņstrāvai. Galvenie pielietojumi shēmās ietver slāpēšanu, filtrēšanu, regulēšanu un enerģijas uzkrāšanu. Komutācijas pārveidotāja pielietojumā induktors ir vissvarīgākā enerģijas uzkrāšanas sastāvdaļa un veido zemas caurlaidības filtru ar izejas kondensatoru, lai samazinātu izejas sprieguma pulsāciju, tāpēc tam ir arī svarīga loma filtrēšanas funkcijā.

Šajā rakstā tiks iepazīstināti ar dažādiem induktoru kodola materiāliem un to raksturlielumiem, kā arī dažiem induktoru elektriskajiem raksturlielumiem, kas ir svarīga novērtējuma atsauce, izvēloties induktorus ķēdes projektēšanas laikā. Pielietojuma piemērā ar praktiskiem piemēriem tiks iepazīstināts ar to, kā aprēķināt induktivitātes vērtību un kā izvēlēties komerciāli pieejamu standarta induktors.

Pamata materiāla veids

Induktori, ko izmanto komutācijas pārveidotājos, ir augstfrekvences magnētiskie komponenti. Centrā esošais serdes materiāls visvairāk ietekmē induktora raksturlielumus, piemēram, pretestību un frekvenci, induktivitātes vērtību un frekvenci vai serdes piesātinājuma raksturlielumus. Tālāk tiks iepazīstināts ar vairāku izplatītu dzelzs serdeņu materiālu salīdzināšanu un to piesātinājuma raksturlielumiem kā svarīgu atsauci jaudas induktoru izvēlei:

1. Keramikas serde

Keramikas serdeņa ir viens no izplatītākajiem induktivitātes materiāliem. To galvenokārt izmanto, lai nodrošinātu atbalsta struktūru, ko izmanto spoles uztīšanai. To sauc arī par "gaisa serdes induktors". Tā kā izmantotais dzelzs kodols ir nemagnētisks materiāls ar ļoti zemu temperatūras koeficientu, induktivitātes vērtība ir ļoti stabila darba temperatūras diapazonā. Tomēr, ņemot vērā nemagnētisko materiālu kā vidi, induktivitāte ir ļoti zema, kas nav īpaši piemērota jaudas pārveidotāju lietošanai.

2. Ferīts

Ferīta serde, ko izmanto vispārējās augstfrekvences induktoros, ir ferīta savienojums, kas satur niķeļa cinku (NiZn) vai mangāna cinku (MnZn), kas ir mīksts magnētisks feromagnētisks materiāls ar zemu koercivitāti. 1. attēlā parādīta vispārējā magnētiskā serdeņa histerēzes līkne (BH cilpa). Magnētiskā materiāla piespiedu spēku HC sauc arī par koercitīvo spēku, kas nozīmē, ka tad, kad magnētiskais materiāls ir magnetizēts līdz magnētiskajam piesātinājumam, tā magnetizācija (magnetizācija) tiek samazināta līdz nullei Nepieciešamais magnētiskā lauka stiprums tajā brīdī. Zemāka koercivitāte nozīmē mazāku pretestību demagnetizācijai un arī mazāku histerēzes zudumu.

Mangāna-cinka un niķeļa-cinka ferītiem ir salīdzinoši augsta relatīvā caurlaidība (μr), attiecīgi aptuveni 1500-15000 un 100-1000. To augstā magnētiskā caurlaidība padara dzelzs serdi augstāku noteiktā tilpumā. Induktivitāte. Tomēr trūkums ir tāds, ka tā pieļaujamā piesātinājuma strāva ir zema, un, tiklīdz dzelzs kodols ir piesātināts, magnētiskā caurlaidība strauji samazināsies. Skatiet 4. attēlu ferīta un pulverdzelzs serdeņu magnētiskās caurlaidības samazināšanās tendencei, kad dzelzs serde ir piesātināta. Salīdzinājums. Lietojot jaudas induktoros, galvenajā magnētiskajā ķēdē tiks atstāta gaisa sprauga, kas var samazināt caurlaidību, izvairīties no piesātinājuma un uzkrāt vairāk enerģijas; ja ir iekļauta gaisa sprauga, ekvivalentā relatīvā caurlaidība var būt aptuveni 20– No 200. Tā kā paša materiāla augstā pretestība var samazināt virpuļstrāvas radītos zudumus, augstās frekvencēs zudumi ir mazāki, un tas ir vairāk piemērots augstfrekvences transformatori, EMI filtru induktori un jaudas pārveidotāju enerģijas uzkrāšanas induktori. Darba frekvences ziņā niķeļa-cinka ferīts ir piemērots lietošanai (>1 MHz), savukārt mangāna-cinka ferīts ir piemērots zemākām frekvenču joslām (<2 MHz).

1

1. attēls. Magnētiskā serdeņa histerēzes līkne (BR: remanence; BSAT: piesātinājuma magnētiskās plūsmas blīvums)

3. Pulverdzelzs serde

Pulverdzelzs serdeņi ir arī mīksti magnētiski feromagnētiski materiāli. Tie ir izgatavoti no dažādu materiālu dzelzs pulvera sakausējumiem vai tikai dzelzs pulvera. Formula satur nemagnētiskus materiālus ar dažādu daļiņu izmēru, tāpēc piesātinājuma līkne ir salīdzinoši maiga. Pulverdzelzs kodols galvenokārt ir toroidāls. 2. attēlā parādīts pulverdzelzs serdenis un tā šķērsgriezuma skats.

Parastās pulverveida dzelzs serdes ietver dzelzs-niķeļa-molibdēna sakausējumu (MPP), putekļus (Sendust), dzelzs-niķeļa sakausējumu (augsta plūsma) un dzelzs pulvera serdi (dzelzs pulveris). Dažādu komponentu dēļ atšķiras arī tā raksturlielumi un cenas, kas ietekmē induktoru izvēli. Tālāk tiks iepazīstināti ar iepriekšminētajiem pamattipiem un salīdzināti to raksturlielumi:

A. Dzelzs-niķeļa-molibdēna sakausējums (MPP)

Fe-Ni-Mo sakausējums ir saīsināts kā MPP, kas ir molypermalloy pulvera saīsinājums. Relatīvā caurlaidība ir aptuveni 14–500, un piesātinājuma magnētiskās plūsmas blīvums ir aptuveni 7500 Gauss (Gauss), kas ir augstāks par ferīta piesātinājuma magnētiskās plūsmas blīvumu (apmēram 4000–5000 Gausu). Daudzi ārā. MPP ir vismazākie dzelzs zudumi un vislabākā temperatūras stabilitāte starp dzelzs pulvera serdeņiem. Kad ārējā līdzstrāva sasniedz piesātinājuma strāvu ISAT, induktivitātes vērtība lēnām samazinās bez pēkšņas vājināšanās. MPP ir labāka veiktspēja, bet augstākas izmaksas, un to parasti izmanto kā jaudas induktors un EMI filtrēšanu jaudas pārveidotājiem.

B. Sendust

Dzelzs-silīcija-alumīnija sakausējuma dzelzs kodols ir sakausējuma dzelzs kodols, kas sastāv no dzelzs, silīcija un alumīnija, ar relatīvo magnētisko caurlaidību aptuveni 26 līdz 125. Dzelzs zudumi ir starp dzelzs pulvera serdi un MPP un dzelzs-niķeļa sakausējumu. . Piesātinājuma magnētiskās plūsmas blīvums ir lielāks par MPP, aptuveni 10500 Gauss. Temperatūras stabilitātes un piesātinājuma strāvas raksturlielumi ir nedaudz zemāki par MPP un dzelzs-niķeļa sakausējumu, bet labāki par dzelzs pulvera serdi un ferīta serdi, un relatīvās izmaksas ir lētākas nekā MPP un dzelzs-niķeļa sakausējumam. To galvenokārt izmanto EMI filtrēšanā, jaudas koeficienta korekcijas (PFC) shēmās un pārslēgšanas jaudas pārveidotāju jaudas induktoros.

C. Dzelzs-niķeļa sakausējums (augsta plūsma)

Dzelzs-niķeļa sakausējuma kodols ir izgatavots no dzelzs un niķeļa. Relatīvā magnētiskā caurlaidība ir aptuveni 14-200. Dzelzs zudumi un temperatūras stabilitāte ir starp MPP un dzelzs-silīcija-alumīnija sakausējumu. Dzelzs-niķeļa sakausējuma kodolam ir visaugstākais piesātinājuma magnētiskās plūsmas blīvums, aptuveni 15 000 Gausu, un tas var izturēt lielākas līdzstrāvas nobīdes strāvas, un tā līdzstrāvas nobīdes raksturlielumi ir arī labāki. Pielietojuma joma: Aktīvā jaudas koeficienta korekcija, enerģijas uzkrāšanas induktivitāte, filtra induktivitāte, atgriezeniskā pārveidotāja augstfrekvences transformators utt.

D. Dzelzs pulveris

Dzelzs pulvera kodols ir izgatavots no augstas tīrības pakāpes dzelzs pulvera daļiņām ar ļoti mazām daļiņām, kas ir izolētas viena no otras. Ražošanas process nodrošina sadalītu gaisa spraugu. Papildus gredzena formai parastajām dzelzs pulvera serdeņu formām ir arī E veida un štancēšanas veidi. Dzelzs pulvera kodola relatīvā magnētiskā caurlaidība ir aptuveni 10 līdz 75, un augsta piesātinājuma magnētiskās plūsmas blīvums ir aptuveni 15 000 Gausu. No pulverdzelzs serdeņiem dzelzs pulverveida serdei ir vislielākie dzelzs zudumi, bet viszemākās izmaksas.

3. attēlā parādītas BH līknes PC47 mangāna-cinka ferītam, ko ražo TDK, un pulverveida dzelzs serdeņiem -52 un -2, ko ražo MICROMETALS; mangāna-cinka ferīta relatīvā magnētiskā caurlaidība ir daudz augstāka nekā pulverveida dzelzs serdeņiem un ir piesātināta. Arī magnētiskās plūsmas blīvums ir ļoti atšķirīgs, ferīts ir aptuveni 5000 Gausu un dzelzs pulvera kodols ir vairāk nekā 10 000 Gausu.

3

3. attēls. Dažādu materiālu mangāna-cinka ferīta un dzelzs pulvera serdeņu BH līkne

Rezumējot, dzelzs serdes piesātinājuma raksturlielumi ir atšķirīgi; kad tiek pārsniegta piesātinājuma strāva, ferīta serdes magnētiskā caurlaidība strauji samazināsies, savukārt dzelzs pulvera kodols var lēnām samazināties. 4. attēlā parādīti magnētiskās caurlaidības krituma raksturlielumi pulverdzelzs serdei ar vienādu magnētisko caurlaidību un ferītam ar gaisa spraugu dažādos magnētiskā lauka stiprumos. Tas arī izskaidro ferīta serdes induktivitāti, jo caurlaidība strauji samazinās, kad serde ir piesātināta, kā redzams no (1) vienādojuma, tas arī izraisa strauju induktivitātes kritumu; savukārt pulvera kodols ar sadalītu gaisa spraugu, magnētiskā caurlaidība Ātrums samazinās lēni, kad dzelzs kodols ir piesātināts, tāpēc induktivitāte samazinās maigāk, tas ir, tai ir labāki līdzstrāvas novirzes raksturlielumi. Lietojot jaudas pārveidotājus, šis raksturlielums ir ļoti svarīgs; ja induktora lēnā piesātinājuma raksturlielums nav labs, induktora strāva palielinās līdz piesātinājuma strāvai, un pēkšņs induktivitātes kritums izraisīs strauju komutācijas kristāla strāvas sprieguma palielināšanos, kas ir viegli izraisīt bojājumus.

4

4. attēls. Pulverdzelzs serdes un ferīta dzelzs serdes magnētiskās caurlaidības krituma raksturlielumi ar gaisa spraugu dažādos magnētiskā lauka stiprumos.

Induktora elektriskie raksturlielumi un iepakojuma struktūra

Projektējot komutācijas pārveidotāju un izvēloties induktors, induktivitātes vērtībai L, pretestībai Z, maiņstrāvas pretestības ACR un Q vērtībai (kvalitātes koeficientam), nominālajai strāvai IDC un ISAT, kā arī serdes zudumam (kodola zudumam) un citiem svarīgiem elektriskajiem raksturlielumiem jāņem vērā. Turklāt induktora iepakojuma struktūra ietekmēs magnētiskās noplūdes apjomu, kas savukārt ietekmēs EMI. Tālāk minētie raksturlielumi atsevišķi tiks aplūkoti kā apsvērumi, izvēloties induktorus.

1. Induktivitātes vērtība (L)

Induktora induktivitātes vērtība ir vissvarīgākais ķēžu projektēšanas pamatparametrs, taču ir jāpārbauda, ​​vai induktivitātes vērtība ir stabila darba frekvencē. Induktivitātes nominālo vērtību parasti mēra pie 100 kHz vai 1 MHz bez ārējas līdzstrāvas novirzes. Un, lai nodrošinātu masveida automatizētas ražošanas iespēju, induktora pielaide parasti ir ±20% (M) un ±30% (N). 5. attēlā ir Taiyo Yuden induktora NR4018T220M induktivitātes-frekvences raksturlielumu diagramma, kas izmērīta ar Veina Kera LCR mērītāju. Kā parādīts attēlā, induktivitātes vērtības līkne ir salīdzinoši plakana pirms 5 MHz, un induktivitātes vērtību gandrīz var uzskatīt par konstanti. Augsto frekvenču joslā rezonanses dēļ, ko rada parazitārā kapacitāte un induktivitāte, induktivitātes vērtība palielināsies. Šo rezonanses frekvenci sauc par pašrezonanses frekvenci (SRF), kurai parasti ir jābūt daudz augstākai par darbības frekvenci.

5

5. attēls, Taiyo Yuden NR4018T220M induktivitātes-frekvences raksturlielumu mērījumu diagramma

2. Pretestība (Z)

Kā parādīts 6. attēlā, pretestības diagrammu var redzēt arī no induktivitātes veiktspējas dažādās frekvencēs. Induktora pretestība ir aptuveni proporcionāla frekvencei (Z=2πfL), tāpēc, jo augstāka ir frekvence, pretestība būs daudz lielāka par maiņstrāvas pretestību, tāpēc pretestība uzvedas kā tīra induktivitāte (fāze ir 90˚). Augstās frekvencēs parazitārās kapacitātes efekta dēļ var redzēt pretestības pašrezonanses frekvences punktu. Pēc šī punkta pretestība samazinās un kļūst kapacitatīva, un fāze pakāpeniski mainās uz -90 ˚.

6

3. Q vērtība un maiņstrāvas pretestība (ACR)

Q vērtība induktivitātes definīcijā ir pretestības attiecība pret pretestību, tas ir, iedomātās daļas attiecība pret pretestības reālo daļu, kā norādīts formulā (2).

(2)

Kur XL ir induktora pretestība, un RL ir induktora maiņstrāvas pretestība.

Zemo frekvenču diapazonā maiņstrāvas pretestība ir lielāka par induktivitātes izraisīto pretestību, tāpēc tās Q vērtība ir ļoti zema; pieaugot frekvencei, pretestība (apmēram 2πfL) kļūst arvien lielāka un lielāka, pat ja pretestība ādas efekta (ādas efekts) un tuvuma (tuvuma) efekta dēļ) Efekts kļūst arvien lielāks un Q vērtība joprojām palielinās līdz ar frekvenci. ; tuvojoties SRF, induktīvo pretestību pakāpeniski kompensē kapacitatīvā pretestība, un Q vērtība pakāpeniski kļūst mazāka; kad SRF kļūst par nulli, jo induktīvā pretestība un kapacitatīvā pretestība ir pilnīgi vienādas Pazūd. 7. attēlā parādīta attiecība starp Q vērtību un NR4018T220M frekvenci, un attiecība ir apgriezta zvana formā.

7

7. attēls. Saistība starp Q vērtību un Taiyo Yuden induktora NR4018T220M frekvenci

Induktivitātes pielietojuma frekvenču joslā, jo augstāka ir Q vērtība, jo labāk; tas nozīmē, ka tā pretestība ir daudz lielāka par maiņstrāvas pretestību. Vispārīgi runājot, labākā Q vērtība ir virs 40, kas nozīmē, ka induktora kvalitāte ir laba. Tomēr parasti, palielinoties līdzstrāvas novirzei, induktivitātes vērtība samazināsies un samazināsies arī Q vērtība. Ja tiek izmantota plakana emaljēta stieple vai vairāku pavedienu emaljēta stieple, var samazināt ādas efektu, tas ir, maiņstrāvas pretestību, kā arī palielināt induktora Q vērtību.

Līdzstrāvas pretestība DCR parasti tiek uzskatīta par vara stieples līdzstrāvas pretestību, un pretestību var aprēķināt atbilstoši stieples diametram un garumam. Tomēr lielākā daļa mazstrāvas SMD induktoru izmantos ultraskaņas metināšanu, lai izveidotu SMD vara loksni pie tinuma spailes. Tomēr, tā kā vara stieple nav gara un pretestības vērtība nav augsta, metināšanas pretestība bieži vien veido ievērojamu daļu no kopējās līdzstrāvas pretestības. Ņemot par piemēru TDK stieples SMD induktors CLF6045NIT-1R5N, izmērītā līdzstrāvas pretestība ir 14,6 mΩ, un līdzstrāvas pretestība, kas aprēķināta, pamatojoties uz stieples diametru un garumu, ir 12,1 mΩ. Rezultāti liecina, ka šī metināšanas pretestība veido aptuveni 17% no kopējās līdzstrāvas pretestības.

Maiņstrāvas pretestība ACR ir ādas efekts un tuvuma efekts, kas izraisīs ACR palielināšanos ar frekvenci; pielietojot vispārējo induktivitāti, jo maiņstrāvas komponents ir daudz zemāks par līdzstrāvas komponenti, ACR radītā ietekme nav acīmredzama; bet pie nelielas slodzes, Tā kā līdzstrāvas komponents ir samazināts, ACR radītos zaudējumus nevar ignorēt. Ādas efekts nozīmē, ka maiņstrāvas apstākļos strāvas sadalījums vadītāja iekšpusē ir nevienmērīgs un koncentrēts uz stieples virsmu, kā rezultātā samazinās līdzvērtīgā stieples šķērsgriezuma laukums, kas savukārt palielina stieples līdzvērtīgo pretestību. frekvence. Turklāt stieples tinumā blakus esošie vadi izraisīs magnētisko lauku saskaitīšanu un atņemšanu strāvas dēļ, tādējādi strāva tiek koncentrēta uz virsmas, kas atrodas blakus vadam (vai tālākajā virsmā, atkarībā no strāvas virziena ), kas arī izraisa līdzvērtīgu vadu pārtveršanu. Parādība, ka laukums samazinās un ekvivalentā pretestība palielinās, ir tā sauktais tuvuma efekts; daudzslāņu tinuma induktivitātes pielietojumā tuvuma efekts ir vēl acīmredzamāks.

8

8. attēlā parādīta saistība starp maiņstrāvas pretestību un stieples SMD induktora NR4018T220M frekvenci. Pie frekvences 1kHz pretestība ir aptuveni 360mΩ; pie 100kHz pretestība palielinās līdz 775mΩ; pie 10MHz pretestības vērtība ir tuvu 160Ω. Novērtējot vara zudumu, aprēķinos ir jāņem vērā ACR, ko izraisa ādas un tuvuma efekti, un jāmaina tā formulā (3).

4. Piesātinājuma strāva (ISAT)

Piesātinājuma strāva ISAT parasti ir nobīdes strāva, kas tiek atzīmēta, ja induktivitātes vērtība ir samazināta, piemēram, 10%, 30% vai 40%. Gaisa spraugas ferītam, jo ​​tā piesātinājuma strāvas raksturlielums ir ļoti straujš, nav lielas atšķirības starp 10% un 40%. Skatiet 4. attēlu. Tomēr, ja tas ir dzelzs pulvera kodols (piemēram, štancēts induktors), piesātinājuma līkne ir salīdzinoši maiga, kā parādīts 9. attēlā, nobīdes strāva pie 10% vai 40% no induktivitātes vājināšanās ir daudz lielāka. atšķiras, tāpēc piesātinājuma strāvas vērtība tiks apspriesta atsevišķi divu veidu dzelzs serdeņiem šādi.

Gaisa spraugas ferīta gadījumā ir saprātīgi izmantot ISAT kā maksimālās induktora strāvas augšējo robežu ķēdēm. Tomēr, ja tas ir dzelzs pulvera kodols, lēnā piesātinājuma raksturlieluma dēļ problēmu nebūs pat tad, ja pielietojuma ķēdes maksimālā strāva pārsniegs ISAT. Tāpēc šis dzelzs serdes raksturlielums ir vispiemērotākais pārveidotāju lietojumprogrammu pārslēgšanai. Pie lielas slodzes, lai gan induktora induktivitātes vērtība ir zema, kā parādīts 9. attēlā, strāvas pulsācijas koeficients ir augsts, bet strāvas kondensatora strāvas tolerance ir augsta, tāpēc tā nebūs problēma. Pie nelielas slodzes spoles induktivitātes vērtība ir lielāka, kas palīdz samazināt induktora pulsācijas strāvu, tādējādi samazinot dzelzs zudumus. 9. attēlā ir salīdzināta piesātinājuma strāvas līkne TDK uztītam ferīta SLF7055T1R5N un štancētā dzelzs pulvera kodola induktora SPM6530T1R5M ar tādu pašu induktivitātes nominālo vērtību.

9

9. attēls. Satīta ferīta un štancēta dzelzs pulvera serdes piesātinājuma strāvas līkne ar vienādu induktivitātes nominālo vērtību

5. Nominālā strāva (IDC)

IDC vērtība ir līdzstrāvas novirze, kad induktora temperatūra paaugstinās līdz Tr˚C. Specifikācijās ir norādīta arī tā līdzstrāvas pretestības vērtība RDC pie 20˚C. Saskaņā ar vara stieples temperatūras koeficientu ir aptuveni 3930 ppm, kad Tr temperatūra paaugstinās, tā pretestības vērtība ir RDC_Tr = RDC (1+0,00393Tr), un tā enerģijas patēriņš ir PCU = I2DCxRDC. Šis vara zudums tiek izkliedēts uz induktora virsmas, un var aprēķināt induktora termisko pretestību ΘTH:

(2)

2. tabula attiecas uz TDK VLS6045EX sērijas (6,0 × 6,0 × 4,5 mm) datu lapu un aprēķina termisko pretestību pie temperatūras paaugstināšanās par 40˚C. Acīmredzot tādas pašas sērijas un izmēra induktoriem aprēķinātā termiskā pretestība ir gandrīz vienāda, jo virsmas siltuma izkliedes laukums ir vienāds; citiem vārdiem sakot, var novērtēt dažādu induktoru nominālo strāvu IDC. Dažādām induktoru sērijām (paketēs) ir atšķirīga termiskā pretestība. 3. tabulā ir salīdzināta TDK VLS6045EX sērijas (daļēji ekranēta) un SPM6530 sērijas (formēta) induktoru termiskā pretestība. Jo lielāka ir termiskā pretestība, jo augstāks temperatūras pieaugums rodas, induktivitātei plūstot cauri slodzes strāvai; pretējā gadījumā, jo zemāks.

(2)

2. tabula. VLS6045EX sērijas induktoru termiskā pretestība, temperatūras paaugstināšanās par 40˚C

No 3. tabulas var redzēt, ka pat tad, ja induktoru izmēri ir līdzīgi, štancēto induktoru termiskā pretestība ir zema, tas ir, siltuma izkliede ir labāka.

(3)

3. tabula. Dažādu paketes induktoru termiskās pretestības salīdzinājums.

6. Kodola zudums

Kodola zudumus, ko dēvē par dzelzs zudumiem, galvenokārt izraisa virpuļstrāvas zudumi un histerēzes zudumi. Virpuļstrāvas zuduma lielums galvenokārt ir atkarīgs no tā, vai serdes materiāls ir viegli “vadāms”; ja vadītspēja ir augsta, tas ir, pretestība ir zema, virpuļstrāvas zudumi ir lieli, un, ja ferīta pretestība ir augsta, virpuļstrāvas zudumi ir salīdzinoši zemi. Virpuļstrāvas zudums ir saistīts arī ar frekvenci. Jo augstāka frekvence, jo lielāks ir virpuļstrāvas zudums. Tāpēc serdeņa materiāls noteiks pareizu serdeņa darbības frekvenci. Vispārīgi runājot, dzelzs pulvera serdes darba frekvence var sasniegt 1MHz, bet ferīta darba frekvence var sasniegt 10MHz. Ja darba frekvence pārsniedz šo frekvenci, virpuļstrāvas zudumi strauji palielināsies un palielināsies arī dzelzs serdes temperatūra. Tomēr, strauji attīstoties dzelzs serdeņu materiāliem, dzelzs serdeņiem ar augstāku darbības frekvenci vajadzētu būt tepat aiz stūra.

Vēl viens dzelzs zudums ir histerēzes zudums, kas ir proporcionāls histerēzes līknes aptvertajai platībai, kas ir saistīta ar strāvas maiņstrāvas komponentes šūpošanās amplitūdu; jo lielākas maiņstrāvas svārstības, jo lielāks ir histerēzes zudums.

Induktora ekvivalentajā shēmā dzelzs zuduma izteikšanai bieži tiek izmantots rezistors, kas savienots paralēli induktors. Ja frekvence ir vienāda ar SRF, induktīvā pretestība un kapacitatīvā pretestība tiek atcelta, un līdzvērtīgā pretestība ir nulle. Šajā laikā induktora pretestība ir līdzvērtīga dzelzs zudumu pretestībai virknē ar tinuma pretestību, un dzelzs zudumu pretestība ir daudz lielāka nekā tinuma pretestība, tāpēc SRF pretestība ir aptuveni vienāda ar dzelzs zudumu pretestību. Kā piemēru ņemot zemsprieguma induktors, tā dzelzs zudumu pretestība ir aptuveni 20 kΩ. Ja tiek lēsts, ka efektīvais spriegums abos induktora galos ir 5 V, tā dzelzs zudumi ir aptuveni 1,25 mW, kas arī parāda, ka jo lielāka ir dzelzs zudumu pretestība, jo labāk.

7. Vairoga struktūra

Ferīta induktoru iepakojuma struktūra ietver neekranētu, daļēji ekranētu ar magnētisko līmi un ekranētu, un katrā no tiem ir ievērojama gaisa sprauga. Acīmredzot gaisa spraugai būs magnētiskā noplūde, un sliktākajā gadījumā tas traucēs apkārtējām mazajām signālu ķēdēm vai, ja tuvumā atrodas magnētisks materiāls, tiks mainīta arī tā induktivitāte. Vēl viena iepakojuma struktūra ir apzīmogots dzelzs pulvera induktors. Tā kā induktora iekšpusē nav spraugas un tinuma struktūra ir cieta, magnētiskā lauka izkliedes problēma ir salīdzinoši neliela. 10. attēlā ir parādīta RTO 1004 osciloskopa FFT funkcijas izmantošana, lai izmērītu noplūdes magnētiskā lauka lielumu 3 mm virs apzīmogotā induktora sāniem un sānos. 4. tabulā ir norādīts dažādu iepakojuma struktūru induktoru noplūdes magnētiskā lauka salīdzinājums. Var redzēt, ka neekranētajiem induktoriem ir visnopietnākā magnētiskā noplūde; apzīmogotajiem induktoriem ir vismazākā magnētiskā noplūde, kas parāda vislabāko magnētiskās ekranēšanas efektu. . Šo divu konstrukciju induktoru noplūdes magnētiskā lauka lieluma atšķirība ir aptuveni 14 dB, kas ir gandrīz 5 reizes.

10

10. attēls. Noplūdes magnētiskā lauka lielums, kas mērīts 3 mm virs apzīmogotā induktora sāniem un sānos.

(4)

4. tabula. Dažādu iepakojuma struktūru induktoru noplūdes magnētiskā lauka salīdzinājums

8. sakabe

Dažās lietojumprogrammās dažreiz uz PCB ir vairāki līdzstrāvas pārveidotāju komplekti, kas parasti ir izvietoti blakus, un tiem atbilstošie induktori ir arī izvietoti blakus. Ja izmantojat neekranētu vai daļēji ekranētu tipu ar magnētisko līmi, induktorus var savienot savā starpā, veidojot EMI traucējumus. Tāpēc, novietojot induktors, ieteicams vispirms atzīmēt induktora polaritāti un savienot induktora visdziļākā slāņa sākuma un tinuma punktu ar pārveidotāja pārslēgšanas spriegumu, piemēram, buck pārveidotāja VSW, kas ir kustīgais punkts. Izejas spaile ir savienota ar izejas kondensatoru, kas ir statiskais punkts; tāpēc vara stieples tinums veido zināmu elektriskā lauka ekranēšanas pakāpi. Multipleksera vadu izkārtojumā induktivitātes polaritātes fiksēšana palīdz fiksēt savstarpējās induktivitātes lielumu un izvairīties no dažām neparedzētām EMI problēmām.

Lietojumprogrammas:

Iepriekšējā nodaļā tika apspriests serdes materiāls, iepakojuma struktūra un svarīgi induktora elektriskie raksturlielumi. Šajā nodaļā ir paskaidrots, kā izvēlēties piemērotu induktivitātes vērtību buck pārveidotājam un apsvērumi, izvēloties tirdzniecībā pieejamu induktors.

Kā parādīts (5) vienādojumā, induktora vērtība un pārveidotāja pārslēgšanas frekvence ietekmēs induktora pulsācijas strāvu (ΔiL). Induktora pulsācijas strāva plūdīs caur izejas kondensatoru un ietekmēs izejas kondensatora pulsācijas strāvu. Tāpēc tas ietekmēs izejas kondensatora izvēli un vēl vairāk ietekmēs izejas sprieguma pulsācijas lielumu. Turklāt induktivitātes vērtība un izejas kapacitātes vērtība ietekmēs arī sistēmas atgriezeniskās saites konstrukciju un slodzes dinamisko reakciju. Izvēloties lielāku induktivitātes vērtību, kondensatoram ir mazāks strāvas spriegums, kā arī tas ir izdevīgi, lai samazinātu izejas sprieguma pulsāciju un var uzglabāt vairāk enerģijas. Tomēr lielāka induktivitātes vērtība norāda uz lielāku apjomu, tas ir, augstākām izmaksām. Tāpēc, projektējot pārveidotāju, induktivitātes vērtības projektēšana ir ļoti svarīga.

(5)

No formulas (5) var redzēt, ka, ja atstarpe starp ieejas spriegumu un izejas spriegumu ir lielāka, induktora pulsācijas strāva būs lielāka, kas ir sliktākais induktora konstrukcijas nosacījums. Kopā ar citu induktīvo analīzi pazeminošā pārveidotāja induktivitātes projektēšanas punkts parasti jāizvēlas maksimālā ieejas sprieguma un pilnas slodzes apstākļos.

Projektējot induktivitātes vērtību, ir nepieciešams veikt kompromisu starp induktora pulsācijas strāvu un induktora izmēru, un šeit ir definēts pulsācijas strāvas koeficients (pulsācijas strāvas koeficients; γ), kā norādīts formulā (6).

(6)

Formulu (6) aizstājot ar formulu (5), induktivitātes vērtību var izteikt kā formulu (7).

(7)

Saskaņā ar formulu (7), kad starpība starp ieejas un izejas spriegumu ir lielāka, γ vērtību var izvēlēties lielāku; gluži pretēji, ja ieejas un izejas spriegums ir tuvāks, γ vērtības konstrukcijai jābūt mazākai. Lai izvēlētos starp induktora pulsācijas strāvu un izmēru, saskaņā ar tradicionālās projektēšanas pieredzes vērtību γ parasti ir no 0,2 līdz 0,5. Tālāk ir ņemts RT7276 piemērs, lai ilustrētu induktivitātes aprēķinu un komerciāli pieejamo induktoru izvēli.

Dizaina piemērs: Izstrādāts ar RT7276 uzlaboto konstanta ieslēgšanās laika (Advanced Constant On-Time; ACOTTM) sinhronās taisnošanas pazeminošo pārveidotāju, tā pārslēgšanas frekvence ir 700 kHz, ieejas spriegums ir no 4,5 V līdz 18 V un izejas spriegums ir 1,05 V . Pilnas slodzes strāva ir 3A. Kā minēts iepriekš, induktivitātes vērtība jāprojektē maksimālā ieejas sprieguma 18V un pilnas slodzes 3A apstākļos, γ vērtība tiek pieņemta kā 0,35, un iepriekš minētā vērtība tiek aizstāta ar vienādojumu (7), induktivitāte. vērtība ir

Izmantojiet induktors ar parasto nominālās induktivitātes vērtību 1,5 µH. Aizstāj formulu (5), lai aprēķinātu induktora pulsācijas strāvu šādi.

Tāpēc induktora maksimālā strāva ir

Un induktora strāvas (IRMS) efektīvā vērtība ir

Tā kā induktora pulsācijas komponents ir mazs, induktora strāvas efektīvā vērtība galvenokārt ir tās līdzstrāvas komponents, un šī efektīvā vērtība tiek izmantota par pamatu, lai izvēlētos induktora nominālo strāvu IDC. Ar 80% samazinājuma (samazināšanas) konstrukciju induktivitātes prasības ir šādas:

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

5. tabulā ir uzskaitīti pieejamie dažādu TDK sēriju induktori, kas ir līdzīgi pēc izmēra, bet atšķiras iepakojuma struktūrā. No tabulas var redzēt, ka apzīmogotā induktora (SPM6530T-1R5M) piesātinājuma strāva un nominālā strāva ir liela, un siltuma pretestība ir maza un siltuma izkliede ir laba. Turklāt, saskaņā ar diskusiju iepriekšējā nodaļā, apzīmogotā induktora serdes materiāls ir dzelzs pulvera serdeņa, tāpēc tas tiek salīdzināts ar daļēji ekranēto (VLS6045EX-1R5N) un ekranēto (SLF7055T-1R5N) induktoru ferīta serdi. ar magnētisko līmi. , Ir labas līdzstrāvas novirzes īpašības. 11. attēlā parādīts dažādu induktoru efektivitātes salīdzinājums, kas pielietots RT7276 uzlabotajam konstantas darbības laikam sinhronās taisnošanas pazeminošajam pārveidotājam. Rezultāti liecina, ka efektivitātes atšķirība starp trim nav būtiska. Ja apsverat siltuma izkliedes, līdzstrāvas novirzes raksturlielumus un magnētiskā lauka izkliedes problēmas, ieteicams izmantot SPM6530T-1R5M indukcijas.

(5)

5. tabula. Dažādu TDK sēriju induktivitātes salīdzinājums

11

11. attēls. Pārveidotāja efektivitātes salīdzinājums ar dažādiem induktoriem

Ja izvēlaties vienādu iepakojuma struktūru un induktivitātes vērtību, bet mazāka izmēra induktorus, piemēram, SPM4015T-1R5M (4,4×4,1×1,5 mm), lai gan tā izmērs ir mazs, bet līdzstrāvas pretestība RDC (44,5 mΩ) un termiskā pretestība ΘTH ( 51˚C) /W) Lielāks. Tādu pašu specifikāciju pārveidotājiem arī induktora pieļaujamās strāvas efektīvā vērtība ir vienāda. Acīmredzot līdzstrāvas pretestība samazinās efektivitāti pie lielas slodzes. Turklāt liela siltuma pretestība nozīmē sliktu siltuma izkliedi. Tāpēc, izvēloties induktors, ir ne tikai jāņem vērā samazinātā izmēra priekšrocības, bet arī jāizvērtē tā pavadošie trūkumi.

Nobeigumā

Induktivitāte ir viens no parasti izmantotajiem pasīvajiem komponentiem komutācijas jaudas pārveidotājos, ko var izmantot enerģijas uzkrāšanai un filtrēšanai. Tomēr ķēdes projektēšanā uzmanība jāpievērš ne tikai induktivitātes vērtībai, bet arī citiem parametriem, tostarp maiņstrāvas pretestībai un Q vērtībai, strāvas pielaidei, dzelzs serdeņa piesātinājumam un iepakojuma struktūrai utt. Jāņem vērā, izvēloties induktors. . Šie parametri parasti ir saistīti ar pamatmateriālu, ražošanas procesu un izmēru un izmaksām. Tāpēc šajā rakstā ir aprakstītas dažādu dzelzs serdes materiālu īpašības un tas, kā izvēlēties atbilstošu induktivitāti kā atsauci barošanas avota projektēšanai.