uudiseid

Kokkuvõte

Induktiivpoolid on väga olulised komponendid lülitusmuundurites, nagu energiasalvestid ja toitefiltrid. Induktiivpooli on mitut tüüpi, näiteks erinevate rakenduste jaoks (madalsagedusest kõrgsageduseni) või erinevad südamiku materjalid, mis mõjutavad induktiivpooli omadusi jne. Lülitusmuundurites kasutatavad induktiivpoolid on kõrgsageduslikud magnetkomponendid. Erinevate tegurite, nagu materjalid, töötingimused (nt pinge ja vool) ja ümbritseva õhu temperatuuri tõttu on aga esitatud omadused ja teooriad üsna erinevad. Seetõttu tuleb vooluringi projekteerimisel lisaks induktiivsuse väärtuse põhiparameetrile arvestada ikkagi induktiivpooli impedantsi ning vahelduvvoolu takistuse ja sageduse vahelist seost, südamiku kadu ja küllastusvoolu karakteristikuid jne. See artikkel tutvustab mitmeid olulisi induktiivpooli südamiku materjale ja nende omadusi ning juhendab energeetikuid valima müügilolevaid standardseid induktiivpooli.

Eessõna

Induktiivpool on elektromagnetilise induktsiooni komponent, mis moodustatakse teatud arvu mähiste (poolide) kerimisel isoleeritud juhtmega poolile või südamikule. Seda mähist nimetatakse induktiivpooliks või induktiivpooliks. Elektromagnetilise induktsiooni põhimõtte kohaselt, kui mähis ja magnetväli liiguvad üksteise suhtes või kui mähis tekitab vahelduvvoolu kaudu vahelduvat magnetvälja, tekib indutseeritud pinge, mis takistab algse magnetvälja muutumist, ja seda voolumuutust piiravat omadust nimetatakse induktiivsuseks.

Induktiivsuse väärtuse valem on valemiga (1), mis on võrdeline magnetilise läbitavuse, mähise keerdude ruudu N ja ekvivalentse magnetahela ristlõikepinnaga Ae ning on pöördvõrdeline ekvivalentse magnetahela pikkusega le . Induktiivsust on mitut tüüpi, millest igaüks sobib erinevateks rakendusteks; induktiivsus on seotud kuju, suuruse, mähismeetodi, keerdude arvu ja vahepealse magnetilise materjali tüübiga.

(1)

Sõltuvalt raudsüdamiku kujust hõlmab induktiivsus toroidaalset, E-südamikku ja trumlit; rauast südamiku materjali osas on peamiselt keraamiline südamik ja kaks pehmet magnetilist tüüpi. Need on ferriit ja metallipulber. Sõltuvalt struktuurist või pakkimisviisist on traat keritud, mitmekihiline ja vormitud ning keritud traat on varjestamata ja pool magnetliimiga Varjestatud (poolvarjestatud) ja varjestatud (varjestatud) jne.

Induktor toimib alalisvoolu lühisena ja sellel on vahelduvvoolule kõrge takistus. Peamised kasutusalad vooluringides hõlmavad lämbumist, filtreerimist, häälestamist ja energia salvestamist. Lülitusmuunduri rakenduses on induktiivpool kõige olulisem energiasalvestuskomponent ja moodustab väljundkondensaatoriga madalpääsfiltri, et vähendada väljundpinge pulsatsiooni, seega mängib see olulist rolli ka filtreerimisfunktsioonis.

Selles artiklis tutvustatakse induktiivpoolide erinevaid südamikumaterjale ja nende omadusi, samuti mõningaid induktiivpoolide elektrilisi omadusi, mis on olulised hindamisviited induktiivpoolide valimisel vooluahela kavandamisel. Rakenduse näites tutvustatakse praktiliste näidete kaudu, kuidas arvutada induktiivsuse väärtust ja kuidas valida müügilolevat standardset induktiivpooli.

Südamiku materjali tüüp

Lülitusmuundurites kasutatavad induktiivpoolid on kõrgsageduslikud magnetkomponendid. Keskel olev südamiku materjal mõjutab kõige enam induktiivpooli omadusi, nagu impedants ja sagedus, induktiivsuse väärtus ja sagedus või südamiku küllastusomadused. Järgnevalt tutvustatakse mitmete tavaliste raudsüdamiku materjalide ja nende küllastusomaduste võrdlust, mis on oluline viide võimsusinduktiivpoolide valimisel:

1. Keraamiline südamik

Keraamiline südamik on üks levinumaid induktiivsusmaterjale. Seda kasutatakse peamiselt pooli kerimisel kasutatava tugistruktuuri tagamiseks. Seda nimetatakse ka "õhksüdamiku induktiivpooliks". Kuna kasutatav raudsüdamik on väga madala temperatuurikoefitsiendiga mittemagnetiline materjal, on induktiivsuse väärtus töötemperatuuri vahemikus väga stabiilne. Kuid mittemagnetilise materjali kui kandja tõttu on induktiivsus väga madal, mis ei sobi võimsusmuundurite rakendamiseks.

2. Ferriit

Üldistes kõrgsageduslikes induktiivpoolides kasutatav ferriitsüdamik on nikkeltsinki (NiZn) või mangaantsinki (MnZn) sisaldav ferriidiühend, mis on madala koertsitiivsusega pehme magnetiline ferromagnetiline materjal. Joonisel 1 on kujutatud üldise magnetsüdamiku hüstereesikõverat (BH-silmus). Magnetmaterjali sundjõudu HC nimetatakse ka sundjõuks, mis tähendab, et kui magnetiline materjal on magnetiseeritud magnetilise küllastuseni, väheneb selle magnetiseerumine (magnetiseerumine) nullini. Vajalik magnetvälja tugevus hetkel. Madalam koertsitiivsus tähendab väiksemat vastupidavust demagnetiseerimisele ja ühtlasi väiksemat hüstereesikadu.

Mangaan-tsink- ja nikkel-tsinkferriitidel on suhteliselt kõrge suhteline läbilaskvus (μr), vastavalt umbes 1500-15000 ja 100-1000. Nende kõrge magnetiline läbilaskvus muudab rauasüdamiku teatud mahus kõrgemaks. Induktiivsus. Puuduseks on aga see, et selle talutav küllastusvool on madal ja kui rauasüdamik on küllastunud, langeb magnetiline läbilaskvus järsult. Ferriit- ja pulberraudsüdamike magnetilise läbilaskvuse vähenemise trendi kohta vaadake joonist 4, kui raudsüdamik on küllastunud. Võrdlus. Toiteinduktorites kasutamisel jäetakse põhimagnetahelasse õhupilu, mis võib vähendada läbilaskvust, vältida küllastumist ja salvestada rohkem energiat; kui õhupilu on kaasatud, võib ekvivalentne suhteline läbilaskvus olla umbes 20- Vahemikus 200. Kuna materjali enda kõrge takistus võib vähendada pöörisvoolust põhjustatud kadu, on kadu kõrgetel sagedustel väiksem ja see sobib paremini kõrgsagedustrafod, EMI-filtri induktiivpoolid ja võimsusmuundurite energiasalvestid. Töösageduselt sobib kasutamiseks nikkel-tsinkferriit (>1 MHz), mangaan-tsinkferriit aga madalamatele sagedusaladele (<2 MHz).

1

Joonis 1. Magnetsüdamiku hüstereesikõver (BR: remanents; BSAT: küllastusmagnetvoo tihedus)

3. Pulberraud südamik

Pulberraud südamikud on samuti pehme-magnetilised ferromagnetilised materjalid. Need on valmistatud erinevate materjalide rauapulbri sulamitest või ainult rauapulbrist. Valem sisaldab erineva suurusega osakeste mittemagnetilisi materjale, seega on küllastuskõver suhteliselt õrn. Pulberraud südamik on enamasti toroidaalne. Joonisel 2 on näidatud pulberraud südamik ja selle ristlõige.

Levinud pulbristatud rauasüdamike hulka kuuluvad raua-nikli-molübdeeni sulam (MPP), sendust (Sendust), raua-nikli sulam (kõrge voog) ja rauapulbri südamik (rauapulber). Erinevate komponentide tõttu on ka selle omadused ja hinnad erinevad, mis mõjutab induktiivpoolide valikut. Järgnevalt tutvustatakse eelnimetatud põhitüüpe ja võrreldakse nende omadusi:

A. Raua-nikli-molübdeeni sulam (MPP)

Fe-Ni-Mo sulam on lühendatud kui MPP, mis on molypermalloy pulbri lühend. Suhteline läbilaskvus on umbes 14–500 ja küllastuse magnetvoo tihedus on umbes 7500 Gaussi (Gaussi), mis on suurem kui ferriidi küllastusmagnetvoo tihedus (umbes 4000–5000 Gaussi). Paljud väljas. MPP-l on väikseim rauakadu ja parim temperatuuristabiilsus pulberraudsüdamike seas. Kui väline alalisvool jõuab küllastusvooluni ISAT, väheneb induktiivsuse väärtus aeglaselt ilma järsu sumbumiseta. MPP-l on parem jõudlus, kuid kõrgem hind ning seda kasutatakse tavaliselt võimsusmuundurite toiteinduktiivpooli ja EMI-filtrina.

B. Sendust

Raua-räni-alumiiniumi sulamist rauasüdamik on rauast, ränist ja alumiiniumist koosnev legeeritud rauasüdamik, mille suhteline magnetiline läbilaskvus on umbes 26–125. Raua kadu on rauapulbri südamiku ja MPP ja raua-nikli sulami vahel. . Küllastuse magnetvoo tihedus on suurem kui MPP, umbes 10500 Gaussi. Temperatuuri stabiilsuse ja küllastusvoolu omadused on veidi halvemad kui MPP ja raua-nikli sulamil, kuid paremad kui rauapulbri südamikul ja ferriitsüdamikul ning suhteline maksumus on odavam kui MPP ja raua-nikli sulamil. Seda kasutatakse enamasti EMI-filtrimisel, võimsusteguri korrigeerimise (PFC) ahelates ja lülitusvõimsusmuundurite võimsusinduktorites.

C. Raua-nikli sulam (suur voog)

Raua-nikli sulamist südamik on valmistatud rauast ja niklist. Suhteline magnetiline läbilaskvus on umbes 14-200. Raua kadu ja temperatuuri stabiilsus on MPP ja raua-räni-alumiiniumi sulami vahel. Raua-nikli sulamist südamikul on kõrgeim küllastusmagnetvoo tihedus, umbes 15 000 Gaussi, ja see talub suuremaid alalispinge voolusid ning selle alalispinge omadused on samuti paremad. Kasutusala: Aktiivvõimsusteguri korrigeerimine, energia salvestamise induktiivsus, filtri induktiivsus, tagasilöögimuunduri kõrgsagedustrafo jne.

D. Rauapulber

Rauapulbri südamik on valmistatud kõrge puhtusastmega rauapulbri osakestest, mille väga väikesed osakesed on üksteisest isoleeritud. Tootmisprotsess muudab sellel hajutatud õhupilu. Levinud rauapulbri südamikukujudel on lisaks rõngakujule ka E-tüüpi ja stantsimistüüp. Rauapulbri südamiku suhteline magnetiline läbilaskvus on umbes 10–75 ja kõrge küllastumise magnetvoo tihedus on umbes 15 000 Gaussi. Pulberraudsüdamike hulgas on rauapulbersüdamikul suurim rauakadu, kuid madalaim hind.

joonisel fig 3 on näidatud TDK mangaan-tsinkferriidi PC47 ja MICROMETALS pulbristatud rauasüdamike -52 ja -2 BH kõverad; mangaan-tsinkferriidi suhteline magnetiline läbilaskvus on palju suurem kui pulbristatud rauasüdamike oma ja on küllastunud. Magnetvoo tihedus on samuti väga erinev, ferriidil on umbes 5000 Gaussi ja rauapulbri südamikul on üle 10 000 Gaussi.

3

Joonis 3. Erinevatest materjalidest mangaan-tsinkferriidi ja rauapulbri südamike BH kõver

Kokkuvõttes on raudsüdamiku küllastusomadused erinevad; kui küllastusvool on ületatud, langeb ferriitsüdamiku magnetiline läbilaskvus järsult, samal ajal kui rauapulbri südamik võib aeglaselt väheneda. Joonisel 4 on näidatud sama magnetilise läbilaskvusega pulberraudsüdamiku ja õhupiluga ferriidi magnetilise läbilaskvuse languskarakteristikud erinevate magnetvälja tugevuste korral. See seletab ka ferriitsüdamiku induktiivsust, kuna läbilaskvus langeb järsult, kui südamik on küllastunud, nagu on näha võrrandist (1), põhjustab see ka induktiivsuse järsu languse; samas kui pulbersüdamik hajutatud õhupiluga, magnetiline läbilaskvus Kiirus väheneb aeglaselt, kui raudsüdamik on küllastunud, seega väheneb induktiivsus õrnemalt, see tähendab, et sellel on paremad alalisvoolu eelpingestused. Toitemuundurite kasutamisel on see omadus väga oluline; kui induktiivpooli aeglane küllastusomadus ei ole hea, tõuseb induktiivpooli vool küllastusvooluni ja induktiivsuse järsk langus põhjustab lülituskristalli voolupinge järsu tõusu, mida on lihtne kahjustada.

4

Joonis 4. Pulberraudsüdamiku ja ferriitraudsüdamiku magnetilise läbilaskvuse languse karakteristikud õhupiluga erineva magnetvälja tugevuse korral.

Induktiivpooli elektrilised omadused ja pakendi struktuur

Lülitusmuunduri projekteerimisel ja induktiivpooli valimisel tuleb arvestada induktiivsuse väärtust L, impedantsi Z, vahelduvvoolu takistuse ACR ja Q väärtust (kvaliteeditegur), nimivoolu IDC ja ISAT ning südamiku kadu (südamiku kadu) ja muid olulisi elektrilisi omadusi. kaaluda. Lisaks mõjutab induktiivpooli pakendistruktuur magnetlekke ulatust, mis omakorda mõjutab EMI-d. Järgnevalt käsitletakse ülalmainitud omadusi induktiivpoolide valimisel eraldi.

1. Induktiivsuse väärtus (L)

Induktiivpooli induktiivsuse väärtus on vooluahela projekteerimisel kõige olulisem põhiparameeter, kuid tuleb kontrollida, kas induktiivsuse väärtus on töösagedusel stabiilne. Induktiivsuse nimiväärtust mõõdetakse tavaliselt 100 kHz või 1 MHz juures ilma välise alalispingeta. Ja massautomaatse tootmise võimaluse tagamiseks on induktiivpooli tolerants tavaliselt ±20% (M) ja ±30% (N). Joonisel 5 on kujutatud Taiyo Yuden induktiivpooli NR4018T220M induktiivsuse-sageduskarakteristiku graafik, mõõdetuna Wayne Kerri LCR-mõõturiga. Nagu on näidatud joonisel, on induktiivsuse väärtuse kõver enne 5 MHz suhteliselt tasane ja induktiivsuse väärtust võib peaaegu pidada konstandiks. Kõrgsagedusalas parasiitmahtuvuse ja induktiivsuse tekitatud resonantsi tõttu induktiivsuse väärtus suureneb. Seda resonantssagedust nimetatakse iseresonantssageduseks (SRF), mis tavaliselt peab olema töösagedusest palju kõrgem.

5

Joonis 5, Taiyo Yuden NR4018T220M induktiivsuse-sageduskarakteristiku mõõtmise diagramm

2. Takistus (Z)

Nagu on näidatud joonisel 6, on impedantsi diagramm näha ka induktiivsuse jõudlusest erinevatel sagedustel. Induktiivpooli impedants on ligikaudu võrdeline sagedusega (Z=2πfL), nii et mida kõrgem on sagedus, seda suurem on reaktiivtakistus kui vahelduvvoolu takistus, seega käitub impedants nagu puhas induktiivsus (faas on 90˚). Kõrgetel sagedustel on parasiitmahtuvuse efekti tõttu näha impedantsi iseresonantssageduspunkt. Pärast seda punkti impedants langeb ja muutub mahtuvuslikuks ning faas muutub järk-järgult -90 ˚-ni.

6

3. Q väärtus ja vahelduvvoolu takistus (ACR)

Q väärtus induktiivsuse definitsioonis on reaktantsi ja takistuse suhe, st impedantsi kujuteldava osa ja reaalosa suhe, nagu valemis (2).

(2)

Kus XL on induktiivpooli reaktants ja RL on induktiivpooli vahelduvvoolu takistus.

Madalsagedusalas on vahelduvvoolu takistus suurem kui induktiivsusest põhjustatud reaktants, seega on selle Q väärtus väga madal; sageduse kasvades muutub reaktants (umbes 2πfL) aina suuremaks, isegi kui nahaefektist (nahaefektist) ja lähedusest (läheduse efektist) tulenev takistus) Mõju muutub järjest suuremaks ja Q väärtus suureneb sagedusega ikkagi ; SRF-ile lähenedes kompenseeritakse induktiivreaktiivtaksus järk-järgult mahtuvusliku reaktiivtaksusega ja Q väärtus muutub järk-järgult väiksemaks; kui SRF muutub nulliks, sest induktiivne reaktiivtaksus ja mahtuvuslik reaktiivtaksus on täiesti samad Kaovad. Joonisel 7 on näidatud suhe Q väärtuse ja NR4018T220M sageduse vahel ning seos on ümberpööratud kellukese kujuline.

7

Joonis 7. Taiyo Yuden induktiivpooli NR4018T220M Q väärtuse ja sageduse vaheline seos

Induktiivsuse rakendussagedusribas, mida suurem on Q väärtus, seda parem; see tähendab, et selle reaktants on palju suurem kui vahelduvvoolu takistus. Üldiselt on parim Q väärtus üle 40, mis tähendab, et induktiivpooli kvaliteet on hea. Üldiselt aga alalisvoolu eelpinge suurenedes induktiivsuse väärtus väheneb ja ka Q väärtus väheneb. Kui kasutatakse lamedat emailtraadi või mitmeahelalist emailtraadi, saab nahaefekti ehk vahelduvvoolu takistust vähendada ja induktiivpooli Q väärtust samuti suurendada.

Alalisvoolu takistust DCR peetakse üldiselt vasktraadi alalisvoolu takistuseks ja takistust saab arvutada vastavalt traadi läbimõõdule ja pikkusele. Kuid enamik madala vooluga SMD induktiivpooli kasutab ultrahelikeevitust, et teha SMD vaskleht mähise terminalis. Kuna aga vasktraat ei ole pikk ja takistuse väärtus ei ole kõrge, moodustab keevitustakistus sageli märkimisväärse osa üldisest alalisvoolutakistusest. Võttes näiteks TDK traatmähitud SMD induktiivpooli CLF6045NIT-1R5N, on mõõdetud alalisvoolu takistus 14,6 mΩ ning traadi läbimõõdu ja pikkuse põhjal arvutatud alalisvoolu takistus on 12,1 mΩ. Tulemused näitavad, et see keevitustakistus moodustab umbes 17% üldisest alalisvoolu takistusest.

Vahelduvvoolutakistus ACR-il on nahaefekt ja lähedusefekt, mis põhjustab ACR-i sageduse suurenemist; üldise induktiivsuse rakendamisel, kuna vahelduvvoolu komponent on palju madalam kui alalisvoolu komponent, ei ole ACR-i mõju ilmne; kuid väikese koormuse korral, kuna alalisvoolu komponent on vähenenud, ei saa ACR-i põhjustatud kadu tähelepanuta jätta. Nahaefekt tähendab seda, et vahelduvvoolu tingimustes on voolujaotus juhi sees ebaühtlane ja koondunud juhtme pinnale, mille tulemusena väheneb juhtme ekvivalentne ristlõikepindala, mis omakorda suurendab juhtme ekvivalenttakistust sagedus. Lisaks põhjustavad traadi mähises kõrvuti asetsevad juhtmed voolu tõttu magnetväljade liitmist ja lahutamist, nii et vool koondub juhtmega külgnevale pinnale (või kõige kaugemale pinnale, olenevalt voolu suunast ), mis põhjustab ka samaväärse traadi pealtkuulamise. Nähtus, et pindala väheneb ja ekvivalenttakistus suureneb, on nn lähedusefekt; mitmekihilise mähise induktiivsuse rakendamisel on lähedusefekt veelgi ilmsem.

8

Joonisel 8 on näidatud seos vahelduvvoolu takistuse ja juhtmega SMD induktiivpooli NR4018T220M sageduse vahel. Sagedusel 1kHz on takistus umbes 360mΩ; 100kHz juures tõuseb takistus 775mΩ-ni; 10MHz juures on takistuse väärtus 160Ω lähedal. Vase kadu hindamisel tuleb arvutuses arvesse võtta naha ja läheduse mõju põhjustatud ACR-i ning muuta see valemiks (3).

4. Küllastusvool (ISAT)

Küllastusvool ISAT on tavaliselt nihkevool, mis on märgitud, kui induktiivsuse väärtus on nõrgenenud, näiteks 10%, 30% või 40%. Õhuvahega ferriidi puhul, kuna selle küllastusvoolu karakteristik on väga kiire, ei ole 10% ja 40% vahel suurt erinevust. Vt joonist 4. Kui aga tegemist on rauapulbersüdamikuga (nt stantsitud induktiivpool), on küllastuskõver suhteliselt õrn, nagu on näidatud joonisel 9, 10% või 40% induktiivsuse sumbumisest on eelpingevool palju suurem. erinevad, nii et küllastusvoolu väärtust arutatakse kahte tüüpi raudsüdamike puhul eraldi järgmiselt.

Õhuvahega ferriidi puhul on ahelarakendustes mõistlik kasutada ISAT-i induktiivpooli maksimaalse voolu ülemise piirina. Kui aga tegemist on rauapulbri südamikuga, ei teki aeglase küllastuskarakteristiku tõttu probleeme isegi siis, kui rakendusahela maksimaalne vool ületab ISAT. Seetõttu on see raudsüdamiku omadus kõige sobivam muundurirakenduste ümberlülitamiseks. Kuigi suure koormuse korral on induktiivpooli induktiivsuse väärtus madal, nagu on näidatud joonisel 9, on voolu pulsatsioonitegur kõrge, kuid voolukondensaatori voolu taluvus on kõrge, nii et see ei tekita probleeme. Kerge koormuse korral on induktiivpooli induktiivsus suurem, mis aitab vähendada induktiivpooli pulsatsioonivoolu, vähendades seeläbi raua kadu. Joonisel 9 on võrreldud TDK keritud ferriit SLF7055T1R5N ja stantsitud rauapulbersüdamiku induktiivpooli SPM6530T1R5M küllastusvoolu kõverat sama induktiivsuse nimiväärtuse juures.

9

Joonis 9. Keritud ferriidi ja stantsitud rauapulbri südamiku küllastusvoolu kõver sama induktiivsuse nimiväärtuse korral

5. Nimivool (IDC)

IDC väärtus on alalisvoolu eelpinge, kui induktiivpooli temperatuur tõuseb Tr˚C-ni. Tehnilised andmed näitavad ka selle alalisvoolu takistuse väärtust RDC temperatuuril 20 °C. Vastavalt vasktraadi temperatuurikoefitsiendile on umbes 3930 ppm, kui Tr temperatuur tõuseb, on selle takistuse väärtus RDC_Tr = RDC (1+0,00393Tr) ja energiatarve PCU = I2DCxRDC. See vase kadu hajub induktiivpooli pinnale ja induktiivpooli soojustakistust ΘTH saab arvutada:

(2)

Tabel 2 viitab TDK VLS6045EX seeria andmelehele (6,0 × 6,0 × 4,5 mm) ja arvutab soojustakistuse temperatuuritõusul 40 ˚C. Ilmselgelt on sama seeria ja suurusega induktiivpoolide puhul arvutuslik soojustakistus peaaegu sama, kuna pinna soojuse hajumise pindala on sama; teisisõnu saab hinnata erinevate induktiivpoolide nimivoolu IDC. Erinevatel induktiivpoolide seeriatel (pakettidel) on erinev soojustakistus. Tabelis 3 võrreldakse TDK VLS6045EX seeria (poolvarjestatud) ja SPM6530 seeria (vormitud) induktiivpoolide soojustakistust. Mida suurem on soojustakistus, seda suurem on temperatuuri tõus, mis tekib, kui induktiivsus voolab läbi koormusvoolu; muidu seda madalam.

(2)

Tabel 2. VLS6045EX seeria induktiivpoolide soojustakistus temperatuuritõusul 40˚C

Tabelist 3 on näha, et isegi kui induktiivpoolide mõõtmed on sarnased, on stantsitud induktiivpoolide soojustakistus madal, st soojuse hajumine on parem.

(3)

Tabel 3. Erinevate pakettinduktiivpoolide soojustakistuse võrdlus.

6. Südamiku kadu

Südamiku kadu, mida nimetatakse rauakaod, on peamiselt põhjustatud pöörisvoolu kadu ja hüstereesi kadu. Pöörisvoolukao suurus sõltub peamiselt sellest, kas südamiku materjali on lihtne “juhtida”; kui juhtivus on suur, see tähendab, et takistus on väike, on pöörisvoolukadu suur ja kui ferriidi eritakistus on suur, on pöörisvoolukadu suhteliselt väike. Pöörisvoolu kadu on samuti seotud sagedusega. Mida kõrgem on sagedus, seda suurem on pöörisvoolu kadu. Seetõttu määrab südamiku materjal südamiku õige töösageduse. Üldiselt võib rauapulbri südamiku töösagedus ulatuda 1 MHz-ni ja ferriidi töösagedus ulatuda 10 MHz-ni. Kui töösagedus ületab selle sageduse, suureneb pöörisvoolukadu kiiresti ja tõuseb ka rauasüdamiku temperatuur. Raudsüdamiku materjalide kiire arengu tõttu peaksid aga kõrgema töösagedusega raudsüdamikud olema kohe nurga taga.

Teine rauakadu on hüstereesikadu, mis on võrdeline hüstereesikõveraga ümbritsetud pindalaga, mis on seotud voolu vahelduvvoolu komponendi kõikumise amplituudiga; mida suurem on vahelduvvoolu kõikumine, seda suurem on hüstereesi kadu.

Induktiivpooli samaväärses vooluringis kasutatakse rauakao väljendamiseks sageli induktiivpooliga paralleelselt ühendatud takistit. Kui sagedus on võrdne SRF-ga, tühistatakse induktiivne reaktiivtaksus ja mahtuvuslik reaktiivtaksus ning samaväärne reaktiivtaksus on null. Sel ajal on induktiivpooli impedants võrdne raua kadude takistusega jadamisi mähise takistusega ja raua kadude takistus on palju suurem kui mähise takistus, seega on SRF-i takistus ligikaudu võrdne raua kadude takistusega. Võttes näiteks madalpinge induktiivpooli, on selle rauakao takistus umbes 20 kΩ. Kui efektiivseks väärtuseks pingeks induktiivpooli mõlemas otsas on hinnanguliselt 5V, on selle rauakadu umbes 1,25mW, mis näitab ka seda, et mida suurem on rauakao takistus, seda parem.

7. Kilbi struktuur

Ferriidist induktiivpoolide pakendistruktuur on varjestamata, magnetliimiga poolvarjestatud ja varjestatud ning mõlemas on arvestatav õhuvahe. Ilmselgelt tekib õhuvahele magnetleke ja halvemal juhul segab see ümbritsevaid väikeseid signaaliahelaid või kui läheduses on mõni magnetmaterjal, siis muutub ka selle induktiivsus. Teine pakendistruktuur on tembeldatud rauapulbri induktiivpool. Kuna induktiivpooli sees ei ole tühimikku ja mähise struktuur on kindel, on magnetvälja hajumise probleem suhteliselt väike. Joonisel 10 on kujutatud ostsilloskoobi RTO 1004 FFT funktsiooni kasutamist lekke magnetvälja suuruse mõõtmiseks tembeldatud induktiivpooli 3 mm kõrgusel ja küljel. Tabelis 4 on toodud erinevate pakendistruktuuride induktiivpoolide lekkemagnetvälja võrdlus. On näha, et varjestamata induktiivpoolidel on kõige tõsisem magnetleke; tembeldatud induktiivpoolidel on väikseim magnetleke, mis näitab parimat magnetilise varjestuse efekti. . Nende kahe konstruktsiooni induktiivpoolide lekkemagnetvälja suuruse erinevus on umbes 14 dB, mis on ligi 5 korda suurem.

10

Joonis 10. Lekke magnetvälja suurus, mõõdetuna 3 mm kõrgusel tembeldatud induktiivpoolist ja küljelt

(4)

Tabel 4. Erinevate pakendistruktuuride induktiivpoolide lekkemagnetvälja võrdlus

8. haakeseadis

Mõnes rakenduses on mõnikord PCB-l mitu alalisvoolumuunduri komplekti, mis on tavaliselt paigutatud üksteise kõrvale ja nende vastavad induktiivpoolid on samuti paigutatud kõrvuti. Kui kasutate varjestamata või poolvarjestatud magnetliimiga tüüpi, võib induktiivpoolid olla omavahel ühendatud, et tekitada EMI-häireid. Seetõttu on induktiivpooli paigutamisel soovitatav kõigepealt märkida induktiivpooli polaarsus ning ühendada induktiivpooli sisemise kihi algus- ja mähispunkt muunduri lülituspingega, näiteks buck-muunduri VSW-ga, mis on liikuv punkt. Väljalaskeava on ühendatud väljundkondensaatoriga, mis on staatiline punkt; vasktraadi mähis moodustab seetõttu teatud määral elektrivälja varjestuse. Multiplekseri juhtmestiku paigutuses aitab induktiivsuse polaarsuse fikseerimine fikseerida vastastikuse induktiivsuse suurust ja vältida ootamatuid EMI probleeme.

Rakendused:

Eelmises peatükis käsitleti südamiku materjali, pakendi struktuuri ja induktiivpooli olulisi elektrilisi omadusi. See peatükk selgitab, kuidas valida sobiva induktiivsuse väärtus buck-muundurile ja kaalutlusi müügiloleva induktiivpooli valimisel.

Nagu on näidatud võrrandis (5), mõjutavad induktiivpooli väärtus ja muunduri lülitussagedus induktiivpooli pulsatsioonivoolu (ΔiL). Induktiivpooli pulsatsioonivool voolab läbi väljundkondensaatori ja mõjutab väljundkondensaatori pulsatsioonivoolu. Seetõttu mõjutab see väljundkondensaatori valikut ja mõjutab veelgi väljundpinge pulsatsiooni suurust. Lisaks mõjutavad induktiivsuse väärtus ja väljundmahtuvuse väärtus ka süsteemi tagasiside disaini ja koormuse dünaamilist reaktsiooni. Suurema induktiivsuse väärtuse valimisel on kondensaatoril väiksem voolupinge ning see on kasulik ka väljundpinge pulsatsiooni vähendamiseks ja suudab salvestada rohkem energiat. Suurem induktiivsuse väärtus näitab aga suuremat mahtu ehk suuremat maksumust. Seetõttu on muunduri projekteerimisel väga oluline induktiivsuse väärtuse kujundamine.

(5)

Valemist (5) on näha, et kui sisendpinge ja väljundpinge vahe on suurem, on induktiivpooli pulsatsioonivool suurem, mis on induktiivpooli konstruktsiooni halvim tingimus. Koos muu induktiivse analüüsiga tuleks alandava muunduri induktiivsuse projekteerimispunkt tavaliselt valida maksimaalse sisendpinge ja täiskoormuse tingimustes.

Induktiivsuse väärtuse kujundamisel on vaja teha kompromiss induktiivpooli pulsatsioonivoolu ja induktiivpooli suuruse vahel ning siin on defineeritud pulsatsioonivoolutegur (pulsatsioonivoolutegur; γ), nagu valemis (6).

(6)

Asendades valemi (6) valemiga (5), saab induktiivsuse väärtuse väljendada valemiga (7).

(7)

Vastavalt valemile (7), kui sisend- ja väljundpinge erinevus on suurem, saab γ väärtuse valida suuremaks; vastupidi, kui sisend- ja väljundpinge on lähemal, peab γ väärtuse disain olema väiksem. Selleks, et valida induktiivpooli pulsatsioonivoolu ja suuruse vahel, on traditsioonilise projekteerimiskogemuse väärtuse järgi γ tavaliselt 0,2–0,5. Järgnevalt on toodud näitena RT7276, et illustreerida induktiivsuse arvutamist ja müügilolevate induktiivpoolide valikut.

Disaini näide: konstrueeritud RT7276 täiustatud konstantse sisselülitusaja (Advanced Constant On-Time; ACOTTM) sünkroonse alaldi astmelise alandamise muunduriga, selle lülitussagedus on 700 kHz, sisendpinge on 4,5 V kuni 18 V ja väljundpinge on 1,05 V . Täiskoormuse vool on 3A. Nagu eespool mainitud, tuleb induktiivsuse väärtus arvutada maksimaalse sisendpinge 18V ja täiskoormuse 3A tingimustes, γ väärtuseks võetakse 0,35 ja ülaltoodud väärtus asendatakse võrrandiga (7), induktiivsus. väärtus on

Kasutage induktiivpooli, mille nimiinduktiivsus on 1,5 µH. Asendage valem (5) induktiivpooli pulsatsioonivoolu arvutamiseks järgmiselt.

Seetõttu on induktiivpooli tippvool

Ja induktiivpooli voolu (IRMS) efektiivne väärtus on

Kuna induktiivpooli pulsatsioonikomponent on väike, on induktiivpooli voolu efektiivne väärtus peamiselt selle alalisvoolukomponent ja seda efektiivset väärtust kasutatakse induktiivpooli nimivoolu IDC valimisel. 80% alandamise (vähenemise) konstruktsiooni korral on induktiivsuse nõuded järgmised:

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

Tabelis 5 on loetletud erinevatest TDK seeriatest saadaolevad induktiivpoolid, mis on suuruselt sarnased, kuid pakendi struktuurilt erinevad. Tabelist on näha, et tembeldatud induktiivpooli (SPM6530T-1R5M) küllastusvool ja nimivool on suured ning soojustakistus väike ja soojuse hajumine hea. Lisaks on stantsitud induktiivpooli südamiku materjaliks eelmises peatükis käsitletud põhjal raudpulbersüdamik, seega võrreldakse seda poolvarjestatud (VLS6045EX-1R5N) ja varjestatud (SLF7055T-1R5N) induktiivpoolide ferriitsüdamikuga. magnetliimiga. , Sellel on head alalisvoolu eelpinge omadused. Joonisel 11 on näidatud RT7276 täiustatud konstantse sünkroonse alaldi sünkroonse alaldi astmelise muunduri jaoks rakendatud erinevate induktiivpoolide efektiivsuse võrdlus. Tulemused näitavad, et efektiivsuse erinevus nende kolme vahel ei ole märkimisväärne. Kui arvestada soojuse hajumise, alalisvoolu eelpingestuste ja magnetvälja hajumisega seotud probleeme, on soovitatav kasutada SPM6530T-1R5M induktiivpooli.

(5)

Tabel 5. TDK erinevate seeriate induktiivsuste võrdlus

11

Joonis 11. Konverteri efektiivsuse võrdlus erinevate induktiivpoolidega

Kui valite sama paketi struktuuri ja induktiivsuse väärtuse, kuid väiksema suurusega induktiivpoolid, näiteks SPM4015T-1R5M (4,4 × 4,1 × 1,5 mm), kuigi selle suurus on väike, kuid alalisvoolutakistus RDC (44,5 mΩ) ja soojustakistus ΘTH ( 51˚C) /W) Suurem. Sama spetsifikatsiooniga muundurite puhul on ka induktiivpooli poolt talutava voolu efektiivne väärtus sama. Ilmselt vähendab alalisvoolu takistus suure koormuse korral tõhusust. Lisaks tähendab suur soojustakistus halba soojuse hajumist. Seetõttu on induktiivpooli valimisel vaja mitte ainult kaaluda vähendatud mõõtmete eeliseid, vaid hinnata ka sellega kaasnevaid puudusi.

Kokkuvõtteks

Induktiivsus on lülitusvõimsusmuundurites üks levinumaid passiivseid komponente, mida saab kasutada energia salvestamiseks ja filtreerimiseks. Kuid vooluahela projekteerimisel ei pea tähelepanu pöörama mitte ainult induktiivsuse väärtusele, vaid ka muud parameetrid, sealhulgas vahelduvvoolu takistus ja Q väärtus, voolutaluvus, raudsüdamiku küllastus ja pakendi struktuur jne. induktiivpooli valimisel tuleb arvestada. . Need parameetrid on tavaliselt seotud põhimaterjali, tootmisprotsessi ning suuruse ja maksumusega. Seetõttu tutvustatakse selles artiklis erinevate raudsüdamiku materjalide omadusi ja seda, kuidas valida sobiv induktiivsus toiteallika projekteerimisel.