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Resumen

Los inductores son componentes muy importantes en los convertidores de conmutación, como el almacenamiento de energía y los filtros de potencia. Hay muchos tipos de inductores, como para diferentes aplicaciones (desde baja frecuencia hasta alta frecuencia), o diferentes materiales del núcleo que afectan las características del inductor, etc. Los inductores utilizados en los convertidores de conmutación son componentes magnéticos de alta frecuencia. Sin embargo, debido a diversos factores como los materiales, las condiciones de funcionamiento (como el voltaje y la corriente) y la temperatura ambiente, las características y teorías presentadas son bastante diferentes. Por lo tanto, en el diseño del circuito, además del parámetro básico del valor de la inductancia, también se debe considerar la relación entre la impedancia del inductor y la resistencia y frecuencia de CA, la pérdida del núcleo y las características de la corriente de saturación, etc. Este artículo presentará varios materiales importantes del núcleo del inductor y sus características, y también guiará a los ingenieros de energía para elegir inductores estándar disponibles comercialmente.

Prefacio

Un inductor es un componente de inducción electromagnética, que se forma enrollando un cierto número de bobinas (bobina) en una bobina o núcleo con un cable aislado. Esta bobina se llama bobina de inductancia o Inductor. Según el principio de inducción electromagnética, cuando la bobina y el campo magnético se mueven entre sí, o la bobina genera un campo magnético alterno a través de una corriente alterna, se generará un voltaje inducido para resistir el cambio del campo magnético original. y esta característica de restringir el cambio actual se llama inductancia.

La fórmula del valor de la inductancia es la fórmula (1), que es proporcional a la permeabilidad magnética, el cuadrado de las vueltas del devanado N y el área de la sección transversal del circuito magnético equivalente Ae, y es inversamente proporcional a la longitud del circuito magnético equivalente le . Existen muchos tipos de inductancia, cada uno adecuado para diferentes aplicaciones; la inductancia está relacionada con la forma, el tamaño, el método de bobinado, el número de vueltas y el tipo de material magnético intermedio.

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Dependiendo de la forma del núcleo de hierro, la inductancia incluye toroidal, núcleo E y tambor; En términos de material del núcleo de hierro, existen principalmente núcleos cerámicos y dos tipos magnéticos blandos. Son ferrita y polvo metálico. Dependiendo de la estructura o método de embalaje, hay alambre enrollado, multicapa y moldeado, y el alambre enrollado tiene no blindado y la mitad de pegamento magnético blindado (semi-blindado) y blindado (blindado), etc.

El inductor actúa como un cortocircuito en corriente continua y presenta alta impedancia en corriente alterna. Los usos básicos en los circuitos incluyen estrangulación, filtrado, sintonización y almacenamiento de energía. En la aplicación del convertidor de conmutación, el inductor es el componente de almacenamiento de energía más importante y forma un filtro de paso bajo con el capacitor de salida para reducir la ondulación del voltaje de salida, por lo que también juega un papel importante en la función de filtrado.

Este artículo presentará los diversos materiales centrales de los inductores y sus características, así como algunas de las características eléctricas de los inductores, como una referencia de evaluación importante para seleccionar inductores durante el diseño de circuitos. En el ejemplo de aplicación, se presentará a través de ejemplos prácticos cómo calcular el valor de la inductancia y cómo elegir un inductor estándar disponible comercialmente.

Tipo de material del núcleo

Los inductores utilizados en los convertidores de conmutación son componentes magnéticos de alta frecuencia. El material del núcleo en el centro afecta más a las características del inductor, como la impedancia y la frecuencia, el valor y la frecuencia de la inductancia o las características de saturación del núcleo. A continuación se presentará la comparación de varios materiales de núcleo de hierro comunes y sus características de saturación como una referencia importante para seleccionar inductores de potencia:

1. Núcleo cerámico

El núcleo cerámico es uno de los materiales de inductancia comunes. Se utiliza principalmente para proporcionar la estructura de soporte utilizada al enrollar la bobina. También se le llama "inductor de núcleo de aire". Debido a que el núcleo de hierro utilizado es un material no magnético con un coeficiente de temperatura muy bajo, el valor de la inductancia es muy estable en el rango de temperatura de funcionamiento. Sin embargo, debido al material no magnético como medio, la inductancia es muy baja, lo que no es muy adecuado para la aplicación de convertidores de potencia.

2. ferrita

El núcleo de ferrita utilizado en los inductores generales de alta frecuencia es un compuesto de ferrita que contiene níquel zinc (NiZn) o manganeso zinc (MnZn), que es un material ferromagnético magnético blando con baja coercitividad. La Figura 1 muestra la curva de histéresis (bucle BH) de un núcleo magnético general. La fuerza coercitiva HC de un material magnético también se llama fuerza coercitiva, lo que significa que cuando el material magnético ha sido magnetizado hasta la saturación magnética, su magnetización (magnetización) se reduce a cero. La intensidad del campo magnético requerida en ese momento. Una coercitividad más baja significa una menor resistencia a la desmagnetización y también significa una menor pérdida de histéresis.

Las ferritas de manganeso-zinc y níquel-zinc tienen una permeabilidad relativa (μr) relativamente alta, alrededor de 1500-15000 y 100-1000, respectivamente. Su alta permeabilidad magnética hace que el núcleo de hierro tenga un volumen mayor. La inductancia. Sin embargo, la desventaja es que su corriente de saturación tolerable es baja y, una vez que el núcleo de hierro está saturado, la permeabilidad magnética disminuirá drásticamente. Consulte la Figura 4 para conocer la tendencia decreciente de la permeabilidad magnética de los núcleos de ferrita y polvo de hierro cuando el núcleo de hierro está saturado. Comparación. Cuando se utiliza en inductores de potencia, se dejará un espacio de aire en el circuito magnético principal, lo que puede reducir la permeabilidad, evitar la saturación y almacenar más energía; cuando se incluye el espacio de aire, la permeabilidad relativa equivalente puede ser de aproximadamente 20- Entre 200. Dado que la alta resistividad del material en sí puede reducir la pérdida causada por las corrientes parásitas, la pérdida es menor a altas frecuencias y es más adecuada para transformadores de alta frecuencia, inductores de filtro EMI e inductores de almacenamiento de energía de convertidores de potencia. En términos de frecuencia de funcionamiento, la ferrita de níquel-zinc es adecuada para su uso (>1 MHz), mientras que la ferrita de manganeso-zinc es adecuada para bandas de frecuencia más bajas (<2 MHz).

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Figura 1. Curva de histéresis del núcleo magnético (BR: remanencia; BSAT: densidad de flujo magnético de saturación)

3. Núcleo de hierro en polvo

Los núcleos de hierro en polvo también son materiales ferromagnéticos blandos. Están fabricados con aleaciones de polvo de hierro de diferentes materiales o únicamente con polvo de hierro. La fórmula contiene materiales no magnéticos con diferentes tamaños de partículas, por lo que la curva de saturación es relativamente suave. El núcleo de hierro en polvo es mayoritariamente toroidal. La figura 2 muestra el núcleo de polvo de hierro y su vista en sección transversal.

Los núcleos de hierro en polvo comunes incluyen la aleación de hierro, níquel y molibdeno (MPP), el sendust (Sendust), la aleación de hierro y níquel (alto flujo) y el núcleo de polvo de hierro (polvo de hierro). Debido a los diferentes componentes, sus características y precios también son diferentes, lo que afecta la elección de los inductores. A continuación se presentarán los tipos principales antes mencionados y se compararán sus características:

A. Aleación de hierro, níquel y molibdeno (MPP)

La aleación Fe-Ni-Mo se abrevia como MPP, que es la abreviatura de polvo de molypermalloy. La permeabilidad relativa es de aproximadamente 14-500 y la densidad de flujo magnético de saturación es de aproximadamente 7500 Gauss (Gauss), que es mayor que la densidad de flujo magnético de saturación de la ferrita (aproximadamente 4000-5000 Gauss). Muchos fuera. MPP tiene la menor pérdida de hierro y tiene la mejor estabilidad de temperatura entre los núcleos de hierro en polvo. Cuando la corriente continua externa alcanza la corriente de saturación ISAT, el valor de la inductancia disminuye lentamente sin una atenuación abrupta. MPP tiene mejor rendimiento pero mayor costo y generalmente se usa como inductor de potencia y filtrado EMI para convertidores de potencia.

B. Sendust

El núcleo de hierro de aleación de hierro-silicio-aluminio es un núcleo de aleación de hierro compuesto de hierro, silicio y aluminio, con una permeabilidad magnética relativa de aproximadamente 26 a 125. La pérdida de hierro se produce entre el núcleo de polvo de hierro y el MPP y la aleación de hierro-níquel. . La densidad de flujo magnético de saturación es mayor que MPP, alrededor de 10500 Gauss. Las características de estabilidad de temperatura y corriente de saturación son ligeramente inferiores al MPP y la aleación de hierro-níquel, pero mejores que el núcleo de polvo de hierro y el núcleo de ferrita, y el costo relativo es más barato que el MPP y la aleación de hierro-níquel. Se utiliza principalmente en filtrado EMI, circuitos de corrección del factor de potencia (PFC) e inductores de potencia de convertidores de potencia conmutados.

C. Aleación de hierro y níquel (alto flujo)

El núcleo de aleación de hierro y níquel está hecho de hierro y níquel. La permeabilidad magnética relativa es de aproximadamente 14-200. La pérdida de hierro y la estabilidad de la temperatura se encuentran entre MPP y la aleación de hierro-silicio-aluminio. El núcleo de aleación de hierro y níquel tiene la densidad de flujo magnético de saturación más alta, alrededor de 15.000 Gauss, y puede soportar corrientes de polarización de CC más altas, y sus características de polarización de CC también son mejores. Ámbito de aplicación: corrección activa del factor de potencia, inductancia de almacenamiento de energía, inductancia de filtro, transformador de alta frecuencia del convertidor flyback, etc.

D. Polvo de hierro

El núcleo de polvo de hierro está hecho de partículas de polvo de hierro de alta pureza con partículas muy pequeñas aisladas entre sí. El proceso de fabricación hace que tenga un entrehierro distribuido. Además de la forma de anillo, las formas comunes de núcleo de polvo de hierro también tienen tipos de estampado y tipo E. La permeabilidad magnética relativa del núcleo de polvo de hierro es de aproximadamente 10 a 75, y la densidad de flujo magnético de alta saturación es de aproximadamente 15000 Gauss. Entre los núcleos de hierro en polvo, el núcleo de polvo de hierro tiene la mayor pérdida de hierro pero el costo más bajo.

La Figura 3 muestra las curvas BH de la ferrita de manganeso-zinc PC47 fabricada por TDK y los núcleos de hierro en polvo -52 y -2 fabricados por MICROMETALS; La permeabilidad magnética relativa de la ferrita de manganeso-zinc es mucho mayor que la de los núcleos de hierro en polvo y está saturada. La densidad del flujo magnético también es muy diferente, la ferrita es de aproximadamente 5000 Gauss y el núcleo de polvo de hierro es de más de 10000 Gauss.

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Figura 3. Curva BH de núcleos de ferrita de manganeso-zinc y polvo de hierro de diferentes materiales

En resumen, las características de saturación del núcleo de hierro son diferentes; una vez que se excede la corriente de saturación, la permeabilidad magnética del núcleo de ferrita disminuirá bruscamente, mientras que el núcleo de polvo de hierro puede disminuir lentamente. La Figura 4 muestra las características de caída de permeabilidad magnética de un núcleo de polvo de hierro con la misma permeabilidad magnética y una ferrita con un entrehierro bajo diferentes intensidades de campo magnético. Esto también explica la inductancia del núcleo de ferrita, debido a que la permeabilidad cae bruscamente cuando el núcleo está saturado, como se puede ver en la ecuación (1), también hace que la inductancia caiga bruscamente; mientras que el núcleo de polvo con espacio de aire distribuido, la permeabilidad magnética La velocidad disminuye lentamente cuando el núcleo de hierro está saturado, por lo que la inductancia disminuye más suavemente, es decir, tiene mejores características de polarización de CC. En la aplicación de convertidores de potencia, esta característica es muy importante; si la característica de saturación lenta del inductor no es buena, la corriente del inductor aumentará a la corriente de saturación y la caída repentina de la inductancia hará que la tensión de corriente del cristal de conmutación aumente bruscamente, lo que es fácil de causar daños.

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Figura 4. Características de la caída de permeabilidad magnética del núcleo de polvo de hierro y del núcleo de ferrita con espacio de aire bajo diferentes intensidades de campo magnético.

Características eléctricas del inductor y estructura del paquete.

Al diseñar un convertidor de conmutación y seleccionar un inductor, el valor de inductancia L, la impedancia Z, la resistencia de CA ACR y el valor Q (factor de calidad), la corriente nominal IDC e ISAT, y la pérdida del núcleo (pérdida del núcleo) y otras características eléctricas importantes son todas ellas. ser considerado. Además, la estructura del empaque del inductor afectará la magnitud de la fuga magnética, lo que a su vez afecta la EMI. A continuación se analizarán las características mencionadas anteriormente por separado como consideraciones para seleccionar inductores.

1. Valor de inductancia (L)

El valor de inductancia de un inductor es el parámetro básico más importante en el diseño de circuitos, pero se debe comprobar si el valor de inductancia es estable a la frecuencia de funcionamiento. El valor nominal de la inductancia generalmente se mide a 100 kHz o 1 MHz sin polarización CC externa. Y para garantizar la posibilidad de una producción automatizada en masa, la tolerancia del inductor suele ser ±20% (M) y ±30% (N). La Figura 5 es el gráfico característico de inductancia-frecuencia del inductor Taiyo Yuden NR4018T220M medido con el medidor LCR de Wayne Kerr. Como se muestra en la figura, la curva del valor de la inductancia es relativamente plana antes de 5 MHz y el valor de la inductancia casi puede considerarse constante. En la banda de alta frecuencia, debido a la resonancia generada por la capacitancia y la inductancia parásitas, el valor de la inductancia aumentará. Esta frecuencia de resonancia se denomina frecuencia de autorresonancia (SRF), que normalmente debe ser mucho más alta que la frecuencia de funcionamiento.

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Figura 5, diagrama de medición de características de inductancia-frecuencia Taiyo Yuden NR4018T220M

2. Impedancia (Z)

Como se muestra en la Figura 6, el diagrama de impedancia también se puede ver a partir del rendimiento de la inductancia a diferentes frecuencias. La impedancia del inductor es aproximadamente proporcional a la frecuencia (Z=2πfL), por lo que cuanto mayor sea la frecuencia, la reactancia será mucho mayor que la resistencia de CA, por lo que la impedancia se comporta como una inductancia pura (la fase es de 90˚). A altas frecuencias, debido al efecto de capacitancia parásita, se puede ver el punto de frecuencia de resonancia propia de la impedancia. Después de este punto, la impedancia cae y se vuelve capacitiva, y la fase cambia gradualmente a -90 ˚.

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3. Valor Q y resistencia CA (ACR)

El valor Q en la definición de inductancia es la relación entre la reactancia y la resistencia, es decir, la relación entre la parte imaginaria y la parte real de la impedancia, como en la fórmula (2).

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Donde XL es la reactancia del inductor y RL es la resistencia de CA del inductor.

En el rango de baja frecuencia, la resistencia de CA es mayor que la reactancia causada por la inductancia, por lo que su valor Q es muy bajo; a medida que aumenta la frecuencia, la reactancia (aproximadamente 2πfL) se vuelve cada vez mayor, incluso si la resistencia se debe al efecto de piel (efecto de piel) y al efecto de proximidad (proximidad)) El efecto se vuelve cada vez mayor, y el valor Q aún aumenta con la frecuencia ; al acercarse a SRF, la reactancia inductiva se compensa gradualmente con la reactancia capacitiva y el valor Q se vuelve gradualmente menor; cuando el SRF se vuelve cero, porque la reactancia inductiva y la reactancia capacitiva son completamente iguales Desaparecen. La Figura 7 muestra la relación entre el valor Q y la frecuencia de NR4018T220M, y la relación tiene la forma de una campana invertida.

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Figura 7. La relación entre el valor Q y la frecuencia del inductor Taiyo Yuden NR4018T220M

En la banda de frecuencia de aplicación de inductancia, cuanto mayor sea el valor Q, mejor; significa que su reactancia es mucho mayor que la resistencia de CA. En términos generales, el mejor valor Q es superior a 40, lo que significa que la calidad del inductor es buena. Sin embargo, generalmente a medida que aumenta la polarización de CC, el valor de la inductancia disminuirá y el valor Q también disminuirá. Si se utiliza alambre esmaltado plano o alambre esmaltado de múltiples hilos, se puede reducir el efecto superficial, es decir, la resistencia de CA, y también se puede aumentar el valor Q del inductor.

La resistencia de CC DCR generalmente se considera la resistencia de CC del cable de cobre, y la resistencia se puede calcular de acuerdo con el diámetro y la longitud del cable. Sin embargo, la mayoría de los inductores SMD de baja corriente utilizarán soldadura ultrasónica para fabricar la lámina de cobre del SMD en el terminal del devanado. Sin embargo, debido a que el cable de cobre no es largo y el valor de resistencia no es alto, la resistencia de soldadura a menudo representa una proporción considerable de la resistencia CC general. Tomando como ejemplo el inductor SMD bobinado CLF6045NIT-1R5N de TDK, la resistencia de CC medida es 14,6 mΩ y la resistencia de CC calculada en función del diámetro y la longitud del cable es de 12,1 mΩ. Los resultados muestran que esta resistencia de soldadura representa aproximadamente el 17% de la resistencia CC total.

La resistencia de CA ACR tiene efecto de piel y efecto de proximidad, lo que hará que ACR aumente con la frecuencia; en la aplicación de inductancia general, debido a que el componente de CA es mucho menor que el componente de CC, la influencia causada por ACR no es obvia; pero con carga ligera, debido a que el componente de CC se reduce, no se puede ignorar la pérdida causada por ACR. El efecto piel significa que, en condiciones de CA, la distribución de corriente dentro del conductor es desigual y se concentra en la superficie del cable, lo que resulta en una reducción en el área de la sección transversal equivalente del cable, lo que a su vez aumenta la resistencia equivalente del cable con frecuencia. Además, en un bobinado de alambre, los alambres adyacentes provocarán la suma y resta de campos magnéticos debido a la corriente, de modo que la corriente se concentra en la superficie adyacente al alambre (o en la superficie más alejada, dependiendo de la dirección de la corriente). ), que también provoca una intercepción de cable equivalente. El fenómeno de que el área disminuye y la resistencia equivalente aumenta es el llamado efecto de proximidad; en la aplicación de inductancia de un devanado multicapa, el efecto de proximidad es aún más evidente.

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La Figura 8 muestra la relación entre la resistencia de CA y la frecuencia del inductor SMD bobinado NR4018T220M. A una frecuencia de 1 kHz, la resistencia es de aproximadamente 360 ​​mΩ; a 100 kHz, la resistencia aumenta a 775 mΩ; a 10MHz, el valor de resistencia está cerca de 160Ω. Al estimar la pérdida de cobre, el cálculo debe considerar el ACR causado por los efectos de piel y proximidad, y modificarlo a la fórmula (3).

4. Corriente de saturación (ISAT)

La corriente de saturación ISAT es generalmente la corriente de polarización marcada cuando el valor de la inductancia se atenúa, como 10%, 30% o 40%. Para la ferrita con entrehierro, debido a que su característica de corriente de saturación es muy rápida, no hay mucha diferencia entre 10% y 40%. Consulte la Figura 4. Sin embargo, si se trata de un núcleo de polvo de hierro (como un inductor estampado), la curva de saturación es relativamente suave, como se muestra en la Figura 9, la corriente de polarización al 10% o 40% de la atenuación de la inductancia es mucho diferente, por lo que el valor de la corriente de saturación se analizará por separado para los dos tipos de núcleos de hierro de la siguiente manera.

Para una ferrita con entrehierro, es razonable utilizar ISAT como límite superior de la corriente máxima del inductor para aplicaciones de circuito. Sin embargo, si se trata de un núcleo de polvo de hierro, debido a la característica de saturación lenta, no habrá ningún problema incluso si la corriente máxima del circuito de aplicación excede ISAT. Por lo tanto, esta característica del núcleo de hierro es más adecuada para aplicaciones de convertidores de conmutación. Bajo carga pesada, aunque el valor de inductancia del inductor es bajo, como se muestra en la Figura 9, el factor de ondulación actual es alto, pero la tolerancia actual del capacitor es alta, por lo que no será un problema. Bajo carga ligera, el valor de inductancia del inductor es mayor, lo que ayuda a reducir la corriente de ondulación del inductor, reduciendo así la pérdida de hierro. La Figura 9 compara la curva de corriente de saturación de la ferrita bobinada SLF7055T1R5N de TDK y el inductor de núcleo de polvo de hierro estampado SPM6530T1R5M bajo el mismo valor nominal de inductancia.

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Figura 9. Curva de corriente de saturación de ferrita bobinada y núcleo de polvo de hierro estampado bajo el mismo valor nominal de inductancia.

5. Corriente nominal (IDC)

El valor IDC es la polarización de CC cuando la temperatura del inductor aumenta a Tr˚C. Las especificaciones también indican su valor de resistencia CC RDC a 20˚C. Según el coeficiente de temperatura del cable de cobre es de aproximadamente 3930 ppm, cuando la temperatura de Tr aumenta, su valor de resistencia es RDC_Tr = RDC (1+0,00393Tr) y su consumo de energía es PCU = I2DCxRDC. Esta pérdida de cobre se disipa en la superficie del inductor y la resistencia térmica ΘTH del inductor se puede calcular:

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La Tabla 2 hace referencia a la hoja de datos de la serie TDK VLS6045EX (6,0×6,0×4,5 mm) y calcula la resistencia térmica con un aumento de temperatura de 40˚C. Obviamente, para inductores de la misma serie y tamaño, la resistencia térmica calculada es casi la misma debido a la misma área superficial de disipación de calor; en otras palabras, se puede estimar la corriente nominal IDC de diferentes inductores. Diferentes series (paquetes) de inductores tienen diferentes resistencias térmicas. La Tabla 3 compara la resistencia térmica de los inductores de la serie TDK VLS6045EX (semiapantallado) y la serie SPM6530 (moldeado). Cuanto mayor sea la resistencia térmica, mayor será el aumento de temperatura generado cuando la inductancia fluye a través de la corriente de carga; en caso contrario, el más bajo.

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Tabla 2. Resistencia térmica de los inductores de la serie VLS6045EX con un aumento de temperatura de 40˚C

Se puede ver en la Tabla 3 que incluso si el tamaño de los inductores es similar, la resistencia térmica de los inductores estampados es baja, es decir, la disipación de calor es mejor.

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Tabla 3. Comparación de resistencia térmica de diferentes inductores de paquete.

6. Pérdida del núcleo

La pérdida del núcleo, conocida como pérdida de hierro, es causada principalmente por la pérdida por corrientes parásitas y la pérdida por histéresis. El tamaño de la pérdida por corrientes parásitas depende principalmente de si el material del núcleo es fácil de "conducir"; si la conductividad es alta, es decir, la resistividad es baja, la pérdida por corrientes parásitas es alta, y si la resistividad de la ferrita es alta, la pérdida por corrientes parásitas es relativamente baja. La pérdida por corrientes de Foucault también está relacionada con la frecuencia. Cuanto mayor sea la frecuencia, mayor será la pérdida por corrientes parásitas. Por lo tanto, el material del núcleo determinará la frecuencia de funcionamiento adecuada del núcleo. En términos generales, la frecuencia de trabajo del núcleo de polvo de hierro puede alcanzar 1MHz y la frecuencia de trabajo de la ferrita puede alcanzar 10MHz. Si la frecuencia de funcionamiento excede esta frecuencia, la pérdida por corrientes parásitas aumentará rápidamente y la temperatura del núcleo de hierro también aumentará. Sin embargo, con el rápido desarrollo de los materiales de núcleo de hierro, los núcleos de hierro con frecuencias operativas más altas deberían estar a la vuelta de la esquina.

Otra pérdida de hierro es la pérdida por histéresis, que es proporcional al área encerrada por la curva de histéresis, que está relacionada con la amplitud de oscilación del componente CA de la corriente; cuanto mayor es la oscilación de CA, mayor es la pérdida por histéresis.

En el circuito equivalente de un inductor, a menudo se utiliza una resistencia conectada en paralelo con el inductor para expresar la pérdida del hierro. Cuando la frecuencia es igual a SRF, la reactancia inductiva y la reactancia capacitiva se cancelan y la reactancia equivalente es cero. En este momento, la impedancia del inductor es equivalente a la resistencia a la pérdida del hierro en serie con la resistencia al devanado, y la resistencia a la pérdida del hierro es mucho mayor que la resistencia al devanado, por lo que la impedancia en SRF es aproximadamente igual a la resistencia a la pérdida del hierro. Tomando como ejemplo un inductor de bajo voltaje, su resistencia a la pérdida de hierro es de aproximadamente 20 kΩ. Si se estima que el valor de voltaje efectivo en ambos extremos del inductor es de 5 V, su pérdida de hierro es de aproximadamente 1,25 mW, lo que también muestra que cuanto mayor sea la resistencia a la pérdida de hierro, mejor.

7. Estructura del escudo

La estructura de empaque de los inductores de ferrita incluye no blindados, semiprotegidos con pegamento magnético y blindados, y hay un espacio de aire considerable en cualquiera de ellos. Obviamente, el espacio de aire tendrá fugas magnéticas y, en el peor de los casos, interferirá con los pequeños circuitos de señales circundantes o, si hay un material magnético cerca, su inductancia también cambiará. Otra estructura de embalaje es un inductor de polvo de hierro estampado. Dado que no hay espacios dentro del inductor y la estructura del devanado es sólida, el problema de la disipación del campo magnético es relativamente pequeño. La Figura 10 es el uso de la función FFT del osciloscopio RTO 1004 para medir la magnitud del campo magnético de fuga a 3 mm por encima y en el costado del inductor estampado. La Tabla 4 enumera la comparación del campo magnético de fuga de diferentes inductores de estructura de paquete. Se puede observar que los inductores no blindados tienen las fugas magnéticas más graves; Los inductores estampados tienen la fuga magnética más pequeña y muestran el mejor efecto de blindaje magnético. . La diferencia en la magnitud del campo magnético de fuga de los inductores de estas dos estructuras es de aproximadamente 14 dB, que es casi 5 veces mayor.

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Figura 10. La magnitud del campo magnético de fuga medido a 3 mm por encima y en el costado del inductor estampado.

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Tabla 4. Comparación del campo magnético de fuga de diferentes inductores de estructura de paquete

8. acoplamiento

En algunas aplicaciones, a veces hay varios conjuntos de convertidores de CC en la PCB, que generalmente están dispuestos uno al lado del otro, y sus inductores correspondientes también están dispuestos uno al lado del otro. Si utiliza un tipo no blindado o semiblindado con pegamento magnético, los inductores pueden acoplarse entre sí para formar interferencias EMI. Por lo tanto, al colocar el inductor, se recomienda marcar primero la polaridad del inductor y conectar el punto de inicio y devanado de la capa más interna del inductor al voltaje de conmutación del convertidor, como el VSW de un convertidor reductor. cual es el punto en movimiento. El terminal de salida está conectado al condensador de salida, que es el punto estático; Por lo tanto, el bobinado del alambre de cobre forma un cierto grado de apantallamiento del campo eléctrico. En la disposición del cableado del multiplexor, fijar la polaridad de la inductancia ayuda a fijar la magnitud de la inductancia mutua y evitar algunos problemas EMI inesperados.

Aplicaciones:

El capítulo anterior analizó el material del núcleo, la estructura del paquete y las características eléctricas importantes del inductor. Este capítulo explicará cómo elegir el valor de inductancia apropiado del convertidor reductor y las consideraciones para elegir un inductor disponible comercialmente.

Como se muestra en la ecuación (5), el valor del inductor y la frecuencia de conmutación del convertidor afectarán la corriente de ondulación del inductor (ΔiL). La corriente de ondulación del inductor fluirá a través del capacitor de salida y afectará la corriente de ondulación del capacitor de salida. Por lo tanto, afectará la selección del condensador de salida y afectará aún más el tamaño de ondulación del voltaje de salida. Además, el valor de la inductancia y el valor de la capacitancia de salida también afectarán el diseño de retroalimentación del sistema y la respuesta dinámica de la carga. Elegir un valor de inductancia mayor tiene menos tensión de corriente en el capacitor y también es beneficioso para reducir la ondulación del voltaje de salida y puede almacenar más energía. Sin embargo, un valor de inductancia mayor indica un volumen mayor, es decir, un costo mayor. Por lo tanto, al diseñar el convertidor, el cálculo del valor de la inductancia es muy importante.

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Se puede ver en la fórmula (5) que cuando la brecha entre el voltaje de entrada y el voltaje de salida es mayor, la corriente de ondulación del inductor será mayor, que es la peor condición del diseño del inductor. Junto con otros análisis inductivos, el punto de diseño de inductancia del convertidor reductor generalmente debe seleccionarse en las condiciones de voltaje de entrada máximo y carga completa.

Al diseñar el valor de la inductancia, es necesario hacer un equilibrio entre la corriente de rizado del inductor y el tamaño del inductor, y el factor de corriente de rizado (factor de corriente de rizado; γ) se define aquí, como en la fórmula (6).

(6)

Sustituyendo la fórmula (6) en la fórmula (5), el valor de la inductancia se puede expresar como la fórmula (7).

(7)

Según la fórmula (7), cuando la diferencia entre el voltaje de entrada y salida es mayor, el valor γ se puede seleccionar mayor; por el contrario, si el voltaje de entrada y salida están más cerca, el diseño del valor γ debe ser menor. Para elegir entre la corriente de ondulación del inductor y el tamaño, según el valor de la experiencia de diseño tradicional, γ suele ser de 0,2 a 0,5. A continuación se toma RT7276 como ejemplo para ilustrar el cálculo de la inductancia y la selección de inductores disponibles comercialmente.

Ejemplo de diseño: Diseñado con un convertidor reductor de rectificación sincrónica RT7276 avanzado de tiempo de encendido constante (Advanced Constant On-Time; ACOTTM), su frecuencia de conmutación es de 700 kHz, el voltaje de entrada es de 4,5 V a 18 V y el voltaje de salida es de 1,05 V. . La corriente de carga completa es de 3A. Como se mencionó anteriormente, el valor de la inductancia debe diseñarse bajo las condiciones del voltaje de entrada máximo de 18 V y la carga completa de 3 A, el valor de γ se toma como 0,35 y el valor anterior se sustituye en la ecuación (7), la inductancia el valor es

Utilice un inductor con un valor de inductancia nominal convencional de 1,5 µH. Sustituya la fórmula (5) para calcular la corriente de ondulación del inductor de la siguiente manera.

Por lo tanto, la corriente máxima del inductor es

Y el valor efectivo de la corriente del inductor (IRMS) es

Debido a que el componente de ondulación del inductor es pequeño, el valor efectivo de la corriente del inductor es principalmente su componente de CC, y este valor efectivo se utiliza como base para seleccionar la corriente nominal del inductor IDC. Con un diseño de reducción de potencia del 80%, los requisitos de inductancia son:

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

La Tabla 5 enumera los inductores disponibles de diferentes series de TDK, similares en tamaño pero diferentes en estructura de paquete. Se puede ver en la tabla que la corriente de saturación y la corriente nominal del inductor estampado (SPM6530T-1R5M) son grandes, la resistencia térmica es pequeña y la disipación de calor es buena. Además, según lo explicado en el capítulo anterior, el material del núcleo del inductor estampado es un núcleo de polvo de hierro, por lo que se compara con el núcleo de ferrita de los inductores semiblindados (VLS6045EX-1R5N) y blindados (SLF7055T-1R5N). con pegamento magnético. Tiene buenas características de polarización de CC. La Figura 11 muestra la comparación de eficiencia de diferentes inductores aplicados al convertidor reductor de rectificación síncrona avanzada de tiempo constante RT7276. Los resultados muestran que la diferencia de eficiencia entre los tres no es significativa. Si considera la disipación de calor, las características de polarización de CC y los problemas de disipación del campo magnético, se recomienda utilizar inductores SPM6530T-1R5M.

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Tabla 5. Comparación de inductancias de diferentes series de TDK

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Figura 11. Comparación de la eficiencia del convertidor con diferentes inductores

Si elige la misma estructura de paquete y valor de inductancia, pero inductores de menor tamaño, como SPM4015T-1R5M (4,4 × 4,1 × 1,5 mm), aunque su tamaño es pequeño, pero la resistencia de CC RDC (44,5 mΩ) y la resistencia térmica ΘTH ( 51˚C) /W) Más grande. Para convertidores de las mismas especificaciones, el valor efectivo de la corriente tolerada por el inductor también es el mismo. Obviamente, la resistencia de CC reducirá la eficiencia bajo cargas pesadas. Además, una gran resistencia térmica significa una mala disipación del calor. Por lo tanto, al elegir un inductor, no sólo es necesario considerar los beneficios de un tamaño reducido, sino también evaluar las desventajas que lo acompañan.

En conclusión

La inductancia es uno de los componentes pasivos comúnmente utilizados en los convertidores de potencia conmutados, que se puede utilizar para el almacenamiento y filtrado de energía. Sin embargo, en el diseño de circuitos, no solo se debe prestar atención al valor de la inductancia, sino que también se deben prestar atención a otros parámetros, como la resistencia de CA y el valor Q, la tolerancia de corriente, la saturación del núcleo de hierro y la estructura del paquete, etc. considerar al elegir un inductor. . Estos parámetros suelen estar relacionados con el material del núcleo, el proceso de fabricación y el tamaño y coste. Por lo tanto, este artículo presenta las características de los diferentes materiales del núcleo de hierro y cómo elegir una inductancia adecuada como referencia para el diseño de fuentes de alimentación.