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Zusammenfassung

Induktivitäten sind sehr wichtige Komponenten in Schaltwandlern wie Energiespeichern und Leistungsfiltern. Es gibt viele Arten von Induktoren, beispielsweise für unterschiedliche Anwendungen (von Niederfrequenz bis Hochfrequenz) oder unterschiedliche Kernmaterialien, die sich auf die Eigenschaften des Induktors auswirken usw. In Schaltwandlern verwendete Induktivitäten sind hochfrequente magnetische Komponenten. Aufgrund verschiedener Faktoren wie Materialien, Betriebsbedingungen (wie Spannung und Strom) und Umgebungstemperatur sind die dargestellten Eigenschaften und Theorien jedoch recht unterschiedlich. Daher müssen beim Schaltungsentwurf zusätzlich zum Grundparameter des Induktivitätswerts noch die Beziehung zwischen der Impedanz der Induktivität und dem Wechselstromwiderstand und der Wechselstromfrequenz, der Kernverlust und die Sättigungsstromcharakteristik usw. berücksichtigt werden. In diesem Artikel werden einige wichtige Induktorkernmaterialien und ihre Eigenschaften vorgestellt und Energietechniker bei der Auswahl kommerziell erhältlicher Standardinduktoren unterstützt.

Vorwort

Ein Induktor ist eine elektromagnetische Induktionskomponente, die durch Aufwickeln einer bestimmten Anzahl von Spulen (Spule) auf einen Spulenkörper oder Kern mit einem isolierten Draht gebildet wird. Diese Spule wird als Induktivitätsspule oder Induktor bezeichnet. Gemäß dem Prinzip der elektromagnetischen Induktion wird, wenn sich die Spule und das Magnetfeld relativ zueinander bewegen oder die Spule durch einen Wechselstrom ein magnetisches Wechselfeld erzeugt, eine induzierte Spannung erzeugt, um der Änderung des ursprünglichen Magnetfelds zu widerstehen. und diese Eigenschaft zur Begrenzung der Stromänderung wird Induktivität genannt.

Die Formel für den Induktivitätswert ist Formel (1), die proportional zur magnetischen Permeabilität, dem Quadrat der Wicklungswindungen N und der äquivalenten Magnetkreisquerschnittsfläche Ae ist und umgekehrt proportional zur äquivalenten Magnetkreislänge le . Es gibt viele Arten von Induktivitäten, die jeweils für unterschiedliche Anwendungen geeignet sind. Die Induktivität hängt von der Form, der Größe, der Wicklungsmethode, der Anzahl der Windungen und der Art des magnetischen Zwischenmaterials ab.

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Abhängig von der Form des Eisenkerns umfasst die Induktivität Ringkern, E-Kern und Trommel; Beim Eisenkernmaterial gibt es hauptsächlich Keramikkerne und zwei weichmagnetische Typen. Es handelt sich um Ferrit- und Metallpulver. Je nach Struktur oder Verpackungsmethode gibt es drahtgewickelte, mehrschichtige und geformte Drahtwicklungen, und die Drahtwicklung ist ungeschirmt und zur Hälfte aus Magnetkleber. Abgeschirmt (halbgeschirmt) und geschirmt (geschirmt) usw.

Die Induktivität wirkt bei Gleichstrom wie ein Kurzschluss und weist bei Wechselstrom eine hohe Impedanz auf. Zu den grundlegenden Anwendungen in Schaltkreisen gehören Drosselung, Filterung, Abstimmung und Energiespeicherung. Bei der Anwendung des Schaltwandlers ist die Induktivität die wichtigste Energiespeicherkomponente und bildet mit dem Ausgangskondensator einen Tiefpassfilter, um die Welligkeit der Ausgangsspannung zu reduzieren, sodass sie auch eine wichtige Rolle bei der Filterfunktion spielt.

In diesem Artikel werden die verschiedenen Kernmaterialien von Induktoren und ihre Eigenschaften sowie einige der elektrischen Eigenschaften von Induktoren vorgestellt und dienen als wichtige Bewertungsreferenz für die Auswahl von Induktoren beim Schaltungsentwurf. Im Anwendungsbeispiel wird anhand praktischer Beispiele erläutert, wie der Induktivitätswert berechnet wird und wie eine handelsübliche Standardinduktivität ausgewählt wird.

Art des Kernmaterials

In Schaltwandlern verwendete Induktivitäten sind hochfrequente magnetische Komponenten. Das Kernmaterial in der Mitte hat den größten Einfluss auf die Eigenschaften des Induktors, wie z. B. Impedanz und Frequenz, Induktivitätswert und -frequenz oder Kernsättigungseigenschaften. Im Folgenden wird der Vergleich mehrerer gängiger Eisenkernmaterialien und ihrer Sättigungseigenschaften als wichtige Referenz für die Auswahl von Leistungsinduktivitäten vorgestellt:

1. Keramikkern

Der Keramikkern ist eines der gebräuchlichsten Induktivitätsmaterialien. Es wird hauptsächlich als Stützstruktur für das Wickeln der Spule verwendet. Er wird auch „Luftkerninduktor“ genannt. Da es sich bei dem verwendeten Eisenkern um ein nichtmagnetisches Material mit einem sehr niedrigen Temperaturkoeffizienten handelt, ist der Induktivitätswert im Betriebstemperaturbereich sehr stabil. Aufgrund des nichtmagnetischen Materials als Medium ist die Induktivität jedoch sehr gering, was für den Einsatz als Leistungswandler wenig geeignet ist.

2. Ferrit

Der in allgemeinen Hochfrequenzinduktoren verwendete Ferritkern ist eine Ferritverbindung, die Nickelzink (NiZn) oder Manganzink (MnZn) enthält, ein weichmagnetisches ferromagnetisches Material mit niedriger Koerzitivfeldstärke. Abbildung 1 zeigt die Hysteresekurve (BH-Schleife) eines allgemeinen Magnetkerns. Die Koerzitivkraft HC eines magnetischen Materials wird auch Koerzitivkraft genannt, was bedeutet, dass, wenn das magnetische Material bis zur magnetischen Sättigung magnetisiert wurde, seine Magnetisierung (Magnetisierung) auf die zu diesem Zeitpunkt erforderliche magnetische Feldstärke auf Null reduziert wird. Eine geringere Koerzitivfeldstärke bedeutet einen geringeren Widerstand gegen Entmagnetisierung und auch einen geringeren Hystereseverlust.

Mangan-Zink- und Nickel-Zink-Ferrite haben eine relativ hohe relative Permeabilität (μr), etwa 1500–15000 bzw. 100–1000. Ihre hohe magnetische Permeabilität erhöht den Eisenkern in einem bestimmten Volumen. Die Induktivität. Der Nachteil besteht jedoch darin, dass der tolerierbare Sättigungsstrom niedrig ist und die magnetische Permeabilität stark abnimmt, sobald der Eisenkern gesättigt ist. Abbildung 4 zeigt den abnehmenden Trend der magnetischen Permeabilität von Ferrit- und Pulvereisenkernen, wenn der Eisenkern gesättigt ist. Vergleich. Beim Einsatz in Leistungsinduktoren verbleibt ein Luftspalt im Hauptmagnetkreis, der die Permeabilität verringern, eine Sättigung vermeiden und mehr Energie speichern kann; Wenn der Luftspalt einbezogen wird, kann die äquivalente relative Permeabilität etwa 20 bis 200 betragen. Da der hohe spezifische Widerstand des Materials selbst den durch Wirbelstrom verursachten Verlust verringern kann, ist der Verlust bei hohen Frequenzen geringer und eignet sich besser für Hochfrequenztransformatoren, EMI-Filterinduktivitäten und Energiespeicherinduktivitäten von Leistungswandlern. Hinsichtlich der Betriebsfrequenz eignet sich Nickel-Zink-Ferrit für den Einsatz (>1 MHz), während Mangan-Zink-Ferrit für niedrigere Frequenzbänder (<2 MHz) geeignet ist.

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Abbildung 1. Die Hysteresekurve des Magnetkerns (BR: Remanenz; BSAT: Sättigungsmagnetflussdichte)

3. Pulvereisenkern

Pulvereisenkerne sind ebenfalls weichmagnetische ferromagnetische Werkstoffe. Sie bestehen aus Eisenpulverlegierungen unterschiedlicher Materialien oder nur aus Eisenpulver. Die Formel enthält nichtmagnetische Materialien mit unterschiedlichen Partikelgrößen, sodass die Sättigungskurve relativ sanft verläuft. Der Pulvereisenkern ist größtenteils toroidförmig. Abbildung 2 zeigt den Pulvereisenkern und seine Querschnittsansicht.

Zu den gängigen pulverförmigen Eisenkernen gehören Eisen-Nickel-Molybdän-Legierungen (MPP), Sendust (Sendust), Eisen-Nickel-Legierungen (hoher Fluss) und Eisenpulverkerne (Eisenpulver). Aufgrund der unterschiedlichen Komponenten unterscheiden sich auch ihre Eigenschaften und Preise, was sich auf die Auswahl der Induktoren auswirkt. Im Folgenden werden die oben genannten Kerntypen vorgestellt und ihre Eigenschaften verglichen:

A. Eisen-Nickel-Molybdän-Legierung (MPP)

Die Fe-Ni-Mo-Legierung wird als MPP abgekürzt, was die Abkürzung für Molypermalloy-Pulver ist. Die relative Permeabilität beträgt etwa 14–500 und die magnetische Sättigungsflussdichte beträgt etwa 7500 Gauss (Gauss), was höher ist als die magnetische Sättigungsflussdichte von Ferrit (ungefähr 4000–5000 Gauss). Viele raus. MPP hat den geringsten Eisenverlust und die beste Temperaturstabilität unter den Pulvereisenkernen. Wenn der externe Gleichstrom den Sättigungsstrom ISAT erreicht, nimmt der Induktivitätswert langsam ab, ohne dass es zu einer abrupten Dämpfung kommt. MPP bietet eine bessere Leistung, ist jedoch teurer und wird normalerweise als Leistungsinduktivität und EMI-Filterung für Leistungswandler verwendet.

B. Sendust

Der Eisenkern aus einer Eisen-Silizium-Aluminium-Legierung ist ein legierter Eisenkern aus Eisen, Silizium und Aluminium mit einer relativen magnetischen Permeabilität von etwa 26 bis 125. Der Eisenverlust liegt zwischen dem Eisenpulverkern und MPP sowie der Eisen-Nickel-Legierung . Die magnetische Sättigungsflussdichte ist höher als MPP, etwa 10500 Gauss. Temperaturstabilität und Sättigungsstromeigenschaften sind etwas schlechter als bei MPP und einer Eisen-Nickel-Legierung, aber besser als bei einem Eisenpulverkern und einem Ferritkern, und die relativen Kosten sind günstiger als bei MPP und einer Eisen-Nickel-Legierung. Es wird hauptsächlich in der EMI-Filterung, in Schaltkreisen zur Leistungsfaktorkorrektur (PFC) und in Leistungsinduktivitäten von Schaltleistungswandlern verwendet.

C. Eisen-Nickel-Legierung (hoher Fluss)

Der Kern aus einer Eisen-Nickel-Legierung besteht aus Eisen und Nickel. Die relative magnetische Permeabilität beträgt etwa 14–200. Der Eisenverlust und die Temperaturstabilität liegen zwischen MPP und Eisen-Silizium-Aluminium-Legierung. Der Kern aus einer Eisen-Nickel-Legierung hat die höchste magnetische Sättigungsflussdichte, etwa 15.000 Gauss, und kann höheren Gleichstrom-Vorspannungsströmen standhalten, außerdem sind seine Gleichstrom-Vorspannungseigenschaften besser. Anwendungsbereich: Aktive Leistungsfaktorkorrektur, Energiespeicherinduktivität, Filterinduktivität, Hochfrequenztransformator des Sperrwandlers usw.

D. Eisenpulver

Der Eisenpulverkern besteht aus hochreinen Eisenpulverpartikeln mit sehr kleinen, voneinander isolierten Partikeln. Der Herstellungsprozess sorgt für einen verteilten Luftspalt. Neben der Ringform gibt es bei den gängigen Eisenpulverkernformen auch E-Typ- und Stanztypen. Die relative magnetische Permeabilität des Eisenpulverkerns beträgt etwa 10 bis 75, und die magnetische Flussdichte mit hoher Sättigung beträgt etwa 15.000 Gauss. Unter den Pulvereisenkernen weist der Eisenpulverkern den höchsten Eisenverlust, aber die niedrigsten Kosten auf.

Abbildung 3 zeigt die BH-Kurven von PC47-Mangan-Zink-Ferrit, hergestellt von TDK, und pulverisierten Eisenkernen -52 und -2, hergestellt von MICROMETALS; Die relative magnetische Permeabilität von Mangan-Zink-Ferrit ist viel höher als die von pulverförmigen Eisenkernen und ist gesättigt. Auch die magnetische Flussdichte ist sehr unterschiedlich, der Ferrit beträgt etwa 5000 Gauss und der Eisenpulverkern mehr als 10000 Gauss.

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Abbildung 3. BH-Kurve von Mangan-Zink-Ferrit- und Eisenpulverkernen aus verschiedenen Materialien

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Sättigungseigenschaften des Eisenkerns unterschiedlich sind; Sobald der Sättigungsstrom überschritten wird, sinkt die magnetische Permeabilität des Ferritkerns stark ab, während die des Eisenpulverkerns langsam abnehmen kann. Abbildung 4 zeigt die Abfalleigenschaften der magnetischen Permeabilität eines Pulvereisenkerns mit derselben magnetischen Permeabilität und eines Ferrits mit Luftspalt bei unterschiedlichen Magnetfeldstärken. Dies erklärt auch die Induktivität des Ferritkerns, da die Permeabilität bei Sättigung des Kerns stark abnimmt, wie aus Gleichung (1) ersichtlich ist, wodurch auch die Induktivität stark abfällt; Während beim Pulverkern mit verteiltem Luftspalt die magnetische Permeabilität langsam abnimmt, wenn der Eisenkern gesättigt ist, nimmt die Induktivität sanfter ab, das heißt, er weist bessere DC-Vorspannungseigenschaften auf. Bei der Anwendung von Stromrichtern ist diese Eigenschaft sehr wichtig; Wenn die langsame Sättigungscharakteristik des Induktors nicht gut ist, steigt der Induktorstrom auf den Sättigungsstrom, und der plötzliche Abfall der Induktivität führt dazu, dass die Strombelastung des Schaltkristalls stark ansteigt, was leicht zu Schäden führen kann.

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Abbildung 4. Abfalleigenschaften der magnetischen Permeabilität eines Pulvereisenkerns und eines Ferriteisenkerns mit Luftspalt bei unterschiedlicher Magnetfeldstärke.

Elektrische Eigenschaften und Gehäusestruktur des Induktors

Beim Entwurf eines Schaltwandlers und der Auswahl einer Induktivität sind der Induktivitätswert L, die Impedanz Z, der Wechselstromwiderstand ACR und der Q-Wert (Qualitätsfaktor), der Nennstrom IDC und ISAT sowie der Kernverlust (Kernverlust) und andere wichtige elektrische Eigenschaften ein Muss berücksichtigt werden. Darüber hinaus beeinflusst die Verpackungsstruktur des Induktors die Größe der magnetischen Streuung, was wiederum Auswirkungen auf die elektromagnetische Strahlung hat. Im Folgenden werden die oben genannten Eigenschaften separat als Überlegungen zur Auswahl von Induktoren besprochen.

1. Induktivitätswert (L)

Der Induktivitätswert einer Induktivität ist der wichtigste Grundparameter beim Schaltungsentwurf, es muss jedoch geprüft werden, ob der Induktivitätswert bei der Betriebsfrequenz stabil ist. Der Nennwert der Induktivität wird üblicherweise bei 100 kHz oder 1 MHz ohne externe Gleichstromvorspannung gemessen. Und um die Möglichkeit einer automatisierten Massenproduktion zu gewährleisten, beträgt die Toleranz des Induktors normalerweise ±20 % (M) und ±30 % (N). Abbildung 5 ist das Induktivitäts-Frequenz-Kennliniendiagramm des Taiyo Yuden-Induktors NR4018T220M, gemessen mit dem LCR-Messgerät von Wayne Kerr. Wie in der Abbildung gezeigt, ist die Kurve des Induktivitätswerts vor 5 MHz relativ flach und der Induktivitätswert kann fast als Konstante betrachtet werden. Im Hochfrequenzband steigt der Induktivitätswert aufgrund der durch die parasitäre Kapazität und Induktivität erzeugten Resonanz. Diese Resonanzfrequenz wird als Eigenresonanzfrequenz (SRF) bezeichnet und muss normalerweise viel höher als die Betriebsfrequenz sein.

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Abbildung 5: Messdiagramm der Induktivitäts-Frequenz-Charakteristik des Taiyo Yuden NR4018T220M

2. Impedanz (Z)

Wie in Abbildung 6 dargestellt, lässt sich das Impedanzdiagramm auch anhand der Leistung der Induktivität bei verschiedenen Frequenzen erkennen. Die Impedanz der Induktivität ist annähernd proportional zur Frequenz (Z=2πfL). Je höher die Frequenz, desto größer ist die Reaktanz als der Wechselstromwiderstand, sodass sich die Impedanz wie eine reine Induktivität verhält (Phase ist 90˚). Bei hohen Frequenzen ist aufgrund des parasitären Kapazitätseffekts der Eigenresonanzfrequenzpunkt der Impedanz zu erkennen. Ab diesem Punkt sinkt die Impedanz und wird kapazitiv, und die Phase ändert sich allmählich auf -90 ˚.

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3. Q-Wert und Wechselstromwiderstand (ACR)

Der Q-Wert in der Definition der Induktivität ist das Verhältnis von Reaktanz zu Widerstand, also das Verhältnis des Imaginärteils zum Realteil der Impedanz, wie in Formel (2).

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Dabei ist XL die Reaktanz des Induktors und RL der Wechselstromwiderstand des Induktors.

Im Niederfrequenzbereich ist der Wechselstromwiderstand größer als der durch die Induktivität verursachte Blindwiderstand, sodass sein Q-Wert sehr niedrig ist. Mit zunehmender Frequenz wird die Reaktanz (ca. 2πfL) immer größer, auch wenn der Widerstand aufgrund des Skin-Effekts (Skin-Effekt) und des Proximity-Effekts (Proximity-Effekt) größer und größer wird und der Q-Wert immer noch mit der Frequenz zunimmt ; Bei Annäherung an SRF wird die induktive Reaktanz allmählich durch die kapazitive Reaktanz ausgeglichen und der Q-Wert wird allmählich kleiner. wenn die SRF Null wird, weil die induktive Reaktanz und die kapazitive Reaktanz völlig gleich sind, verschwinden sie. Abbildung 7 zeigt die Beziehung zwischen Q-Wert und Frequenz von NR4018T220M, und die Beziehung hat die Form einer umgekehrten Glocke.

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Abbildung 7. Die Beziehung zwischen Q-Wert und Frequenz des Taiyo Yuden-Induktors NR4018T220M

Im Anwendungsfrequenzband der Induktivität gilt: Je höher der Q-Wert, desto besser; Dies bedeutet, dass seine Reaktanz viel größer ist als der Wechselstromwiderstand. Im Allgemeinen liegt der beste Q-Wert über 40, was bedeutet, dass die Qualität des Induktors gut ist. Im Allgemeinen nimmt jedoch mit zunehmender Gleichstromvorspannung der Induktivitätswert ab und auch der Q-Wert nimmt ab. Bei der Verwendung von Flachlackdraht oder mehradrigem Lackdraht kann der Skineffekt, also der Wechselstromwiderstand, reduziert und auch der Q-Wert der Induktivität erhöht werden.

Der Gleichstromwiderstand DCR wird im Allgemeinen als Gleichstromwiderstand des Kupferdrahts angesehen und der Widerstand kann anhand des Drahtdurchmessers und der Drahtlänge berechnet werden. Bei den meisten Niederstrom-SMD-Induktivitäten wird jedoch Ultraschallschweißen verwendet, um das Kupferblech des SMD am Wicklungsanschluss herzustellen. Da der Kupferdraht jedoch nicht lang ist und der Widerstandswert nicht hoch ist, macht der Schweißwiderstand häufig einen erheblichen Anteil des gesamten Gleichstromwiderstands aus. Am Beispiel des drahtgewickelten SMD-Induktors CLF6045NIT-1R5N von TDK beträgt der gemessene Gleichstromwiderstand 14,6 mΩ und der auf der Grundlage des Drahtdurchmessers und der Drahtlänge berechnete Gleichstromwiderstand 12,1 mΩ. Die Ergebnisse zeigen, dass dieser Schweißwiderstand etwa 17 % des gesamten Gleichstromwiderstands ausmacht.

AC-Widerstand ACR hat einen Skin-Effekt und einen Proximity-Effekt, der dazu führt, dass ACR mit der Frequenz zunimmt; Da bei der Anwendung der allgemeinen Induktivität die Wechselstromkomponente viel geringer ist als die Gleichstromkomponente, ist der durch ACR verursachte Einfluss nicht offensichtlich. Da jedoch bei geringer Last die Gleichstromkomponente reduziert wird, kann der durch ACR verursachte Verlust nicht ignoriert werden. Der Skin-Effekt bedeutet, dass unter Wechselstrombedingungen die Stromverteilung im Leiter ungleichmäßig ist und sich auf die Oberfläche des Drahtes konzentriert, was zu einer Verringerung der äquivalenten Drahtquerschnittsfläche führt, was wiederum den äquivalenten Widerstand des Drahtes erhöht Frequenz. Darüber hinaus führen benachbarte Drähte in einer Drahtwicklung aufgrund des Stroms zu einer Addition und Subtraktion von Magnetfeldern, sodass sich der Strom auf der Oberfläche neben dem Draht (oder der am weitesten entfernten Oberfläche, abhängig von der Richtung des Stroms) konzentriert ), was ebenfalls zu einer gleichwertigen Leitungsüberwachung führt. Das Phänomen, dass die Fläche abnimmt und der Ersatzwiderstand zunimmt, ist der sogenannte Proximity-Effekt; Bei der Induktivitätsanwendung einer mehrschichtigen Wicklung ist der Proximity-Effekt noch deutlicher.

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Abbildung 8 zeigt den Zusammenhang zwischen Wechselstromwiderstand und Frequenz des drahtgewickelten SMD-Induktors NR4018T220M. Bei einer Frequenz von 1 kHz beträgt der Widerstand etwa 360 mΩ; bei 100 kHz steigt der Widerstand auf 775 mΩ; Bei 10 MHz liegt der Widerstandswert nahe bei 160 Ω. Bei der Schätzung des Kupferverlusts muss bei der Berechnung die durch die Skin- und Proximity-Effekte verursachte ACR berücksichtigt und in Formel (3) geändert werden.

4. Sättigungsstrom (ISAT)

Der Sättigungsstrom ISAT ist im Allgemeinen der Vorspannungsstrom, der auftritt, wenn der Induktivitätswert gedämpft wird, z. B. 10 %, 30 % oder 40 %. Da der Sättigungsstrom bei Luftspaltferrit sehr schnell verläuft, gibt es keinen großen Unterschied zwischen 10 % und 40 %. Siehe Abbildung 4. Wenn es sich jedoch um einen Eisenpulverkern (z. B. einen gestanzten Induktor) handelt, ist die Sättigungskurve relativ sanft, wie in Abbildung 9 dargestellt, wobei der Vorstrom bei 10 % oder 40 % der Induktivitätsdämpfung stark ist unterschiedlich, daher wird der Sättigungsstromwert für die beiden Arten von Eisenkernen wie folgt separat besprochen.

Für einen Luftspaltferrit ist es sinnvoll, ISAT als Obergrenze des maximalen Induktorstroms für Schaltungsanwendungen zu verwenden. Wenn es sich jedoch um einen Eisenpulverkern handelt, treten aufgrund der langsamen Sättigungscharakteristik keine Probleme auf, selbst wenn der maximale Strom der Anwendungsschaltung ISAT überschreitet. Daher eignet sich diese Eisenkerneigenschaft am besten für Schaltwandleranwendungen. Unter hoher Last ist der Induktivitätswert des Induktors zwar niedrig, wie in Abbildung 9 dargestellt, der Stromwelligkeitsfaktor ist jedoch hoch, aber die Stromtoleranz des Stromkondensators ist hoch, sodass dies kein Problem darstellt. Bei geringer Last ist der Induktivitätswert des Induktors größer, was dazu beiträgt, den Welligkeitsstrom des Induktors zu reduzieren und dadurch den Eisenverlust zu verringern. Abbildung 9 vergleicht die Sättigungsstromkurve des gewickelten Ferritkerns SLF7055T1R5N von TDK und des Induktors mit gestanztem Eisenpulverkern SPM6530T1R5M bei demselben Induktivitätsnennwert.

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Abbildung 9. Sättigungsstromkurve eines gewickelten Ferritkerns und eines gestanzten Eisenpulverkerns bei gleichem Nennwert der Induktivität

5. Nennstrom (IDC)

Der IDC-Wert ist die Gleichstromvorspannung, wenn die Induktortemperatur auf Tr˚C ansteigt. In den Spezifikationen ist auch der DC-Widerstandswert RDC bei 20 °C angegeben. Gemäß dem Temperaturkoeffizienten des Kupferdrahts beträgt er etwa 3.930 ppm. Wenn die Temperatur von Tr ansteigt, beträgt sein Widerstandswert RDC_Tr = RDC (1+0,00393Tr) und sein Stromverbrauch beträgt PCU = I2DCxRDC. Dieser Kupferverlust wird an der Oberfläche des Induktors abgeführt und der Wärmewiderstand ΘTH des Induktors kann berechnet werden:

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Tabelle 2 bezieht sich auf das Datenblatt der TDK VLS6045EX-Serie (6,0 x 6,0 x 4,5 mm) und berechnet den Wärmewiderstand bei einem Temperaturanstieg von 40 °C. Offensichtlich ist der berechnete Wärmewiderstand für Induktoren derselben Serie und Größe aufgrund der gleichen Oberflächenwärmeableitungsfläche nahezu gleich; Mit anderen Worten: Der Nennstrom-IDC verschiedener Induktoren kann geschätzt werden. Verschiedene Serien (Pakete) von Induktoren haben unterschiedliche Wärmewiderstände. Tabelle 3 vergleicht den Wärmewiderstand von Induktivitäten der TDK VLS6045EX-Serie (halbgeschirmt) und der SPM6530-Serie (vergossen). Je größer der Wärmewiderstand, desto höher ist der Temperaturanstieg, der entsteht, wenn der Laststrom durch die Induktivität fließt. andernfalls desto niedriger.

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Tabelle 2. Wärmewiderstand der Induktivitäten der Serie VLS6045EX bei einem Temperaturanstieg von 40 °C

Aus Tabelle 3 ist ersichtlich, dass selbst bei ähnlicher Größe der Induktoren der Wärmewiderstand der gestanzten Induktoren gering ist, d. h. die Wärmeableitung ist besser.

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Tabelle 3. Vergleich des Wärmewiderstands verschiedener Gehäuseinduktivitäten.

6. Kernverlust

Kernverluste, auch Eisenverluste genannt, werden hauptsächlich durch Wirbelstromverluste und Hystereseverluste verursacht. Die Größe des Wirbelstromverlusts hängt hauptsächlich davon ab, ob das Kernmaterial gut „leitfähig“ ist; Wenn die Leitfähigkeit hoch ist, das heißt, der spezifische Widerstand niedrig ist, ist der Wirbelstromverlust hoch, und wenn der spezifische Widerstand des Ferrits hoch ist, ist der Wirbelstromverlust relativ gering. Wirbelstromverluste hängen auch mit der Frequenz zusammen. Je höher die Frequenz, desto größer ist der Wirbelstromverlust. Daher bestimmt das Kernmaterial die richtige Betriebsfrequenz des Kerns. Im Allgemeinen kann die Arbeitsfrequenz des Eisenpulverkerns 1 MHz erreichen, und die Arbeitsfrequenz des Ferrits kann 10 MHz erreichen. Wenn die Betriebsfrequenz diese Frequenz überschreitet, steigt der Wirbelstromverlust schnell an und auch die Eisenkerntemperatur steigt. Mit der rasanten Entwicklung von Eisenkernmaterialien dürften jedoch bald Eisenkerne mit höheren Betriebsfrequenzen auf den Markt kommen.

Ein weiterer Eisenverlust ist der Hystereseverlust, der proportional zu der von der Hysteresekurve eingeschlossenen Fläche ist, die mit der Schwankungsamplitude der Wechselstromkomponente des Stroms zusammenhängt; Je größer die Wechselstromschwankung ist, desto größer ist der Hystereseverlust.

Im Ersatzschaltbild einer Induktivität wird häufig ein parallel zur Induktivität geschalteter Widerstand verwendet, um den Eisenverlust auszudrücken. Wenn die Frequenz gleich SRF ist, heben sich die induktive Reaktanz und die kapazitive Reaktanz auf und die äquivalente Reaktanz ist Null. Zu diesem Zeitpunkt entspricht die Impedanz des Induktors dem Eisenverlustwiderstand in Reihe mit dem Wicklungswiderstand, und der Eisenverlustwiderstand ist viel größer als der Wicklungswiderstand, sodass die Impedanz bei SRF ungefähr gleich dem Eisenverlustwiderstand ist. Am Beispiel einer Niederspannungsinduktivität beträgt ihr Eisenverlustwiderstand etwa 20 kΩ. Wenn der Effektivwert der Spannung an beiden Enden des Induktors auf 5 V geschätzt wird, beträgt sein Eisenverlust etwa 1,25 mW. Dies zeigt auch, dass es umso besser ist, je größer der Eisenverlustwiderstand ist.

7. Schildstruktur

Die Verpackungsstruktur von Ferrit-Induktivitäten umfasst ungeschirmte, halbgeschirmte mit Magnetkleber und geschirmte, und in beiden Fällen besteht ein beträchtlicher Luftspalt. Offensichtlich weist der Luftspalt eine magnetische Streuung auf, die im schlimmsten Fall die umgebenden Kleinsignalkreise stört, oder wenn sich magnetisches Material in der Nähe befindet, ändert sich auch dessen Induktivität. Eine weitere Verpackungsstruktur ist ein Induktor aus gestanztem Eisenpulver. Da im Inneren des Induktors kein Spalt vorhanden ist und die Wicklungsstruktur solide ist, ist das Problem der Magnetfeldableitung relativ gering. Abbildung 10 zeigt die Verwendung der FFT-Funktion des RTO 1004-Oszilloskops zur Messung der Stärke des Streumagnetfelds 3 mm über und an der Seite des geprägten Induktors. Tabelle 4 listet den Vergleich des Streumagnetfelds verschiedener Induktoren mit Paketstruktur auf. Es ist ersichtlich, dass nicht abgeschirmte Induktoren die schwerwiegendste magnetische Streuung aufweisen; Gestanzte Induktoren weisen die geringste magnetische Streuung auf und zeigen die beste magnetische Abschirmwirkung. . Der Unterschied in der Größe des Streumagnetfelds der Induktoren dieser beiden Strukturen beträgt etwa 14 dB, was fast dem Fünffachen entspricht.

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Abbildung 10. Die Stärke des Streumagnetfelds, gemessen 3 mm über und an der Seite des geprägten Induktors

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Tabelle 4. Vergleich des Streumagnetfelds verschiedener Induktivitäten mit Gehäusestruktur

8. Kupplung

In einigen Anwendungen gibt es manchmal mehrere Sätze von Gleichstromwandlern auf der Leiterplatte, die normalerweise nebeneinander angeordnet sind, und ihre entsprechenden Induktivitäten sind ebenfalls nebeneinander angeordnet. Wenn Sie einen ungeschirmten oder halbgeschirmten Typ mit Magnetkleber verwenden, können die Induktivitäten miteinander gekoppelt werden und so elektromagnetische Störungen verursachen. Daher wird empfohlen, bei der Platzierung des Induktors zuerst die Polarität des Induktors zu markieren und den Start- und Wicklungspunkt der innersten Schicht des Induktors mit der Schaltspannung des Wandlers zu verbinden, beispielsweise dem VSW eines Abwärtswandlers. Das ist der bewegliche Punkt. Der Ausgangsanschluss ist mit dem Ausgangskondensator verbunden, der den statischen Punkt darstellt. Die Kupferdrahtwicklung bildet daher eine gewisse Abschirmung des elektrischen Feldes. Bei der Verdrahtungsanordnung des Multiplexers trägt die Festlegung der Polarität der Induktivität dazu bei, die Größe der Gegeninduktivität festzulegen und einige unerwartete EMI-Probleme zu vermeiden.

Anwendungen:

Im vorherigen Kapitel wurden das Kernmaterial, die Gehäusestruktur und wichtige elektrische Eigenschaften des Induktors erörtert. In diesem Kapitel wird erläutert, wie der geeignete Induktivitätswert des Abwärtswandlers ausgewählt wird und welche Überlegungen bei der Auswahl einer handelsüblichen Induktivität zu berücksichtigen sind.

Wie in Gleichung (5) gezeigt, wirken sich der Induktorwert und die Schaltfrequenz des Wandlers auf den Induktorwelligkeitsstrom (ΔiL) aus. Der Welligkeitsstrom der Induktivität fließt durch den Ausgangskondensator und beeinflusst den Welligkeitsstrom des Ausgangskondensators. Daher wirkt sich dies auf die Auswahl des Ausgangskondensators und darüber hinaus auf die Welligkeitsgröße der Ausgangsspannung aus. Darüber hinaus wirken sich der Induktivitätswert und der Ausgangskapazitätswert auch auf das Feedback-Design des Systems und die dynamische Reaktion der Last aus. Die Wahl eines größeren Induktivitätswerts hat eine geringere Strombelastung für den Kondensator zur Folge und trägt außerdem dazu bei, die Welligkeit der Ausgangsspannung zu reduzieren und mehr Energie zu speichern. Ein größerer Induktivitätswert weist jedoch auf ein größeres Volumen, also höhere Kosten, hin. Daher ist beim Entwurf des Wandlers die Auslegung des Induktivitätswerts sehr wichtig.

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Aus Formel (5) ist ersichtlich, dass bei größerer Lücke zwischen Eingangsspannung und Ausgangsspannung der Welligkeitsstrom des Induktors größer ist, was den ungünstigsten Zustand des Induktordesigns darstellt. In Verbindung mit anderen induktiven Analysen sollte der Induktivitätsauslegungspunkt des Abwärtswandlers normalerweise unter den Bedingungen maximaler Eingangsspannung und Volllast ausgewählt werden.

Beim Entwerfen des Induktivitätswerts muss ein Kompromiss zwischen dem Induktorwelligkeitsstrom und der Induktorgröße getroffen werden. Der Welligkeitsstromfaktor (Welligkeitsstromfaktor; γ) wird hier wie in Formel (6) definiert.

(6)

Wenn man Formel (6) in Formel (5) einsetzt, kann der Induktivitätswert als Formel (7) ausgedrückt werden.

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Gemäß Formel (7) kann bei größerer Differenz zwischen Eingangs- und Ausgangsspannung der γ-Wert größer gewählt werden; im Gegenteil, wenn die Eingangs- und Ausgangsspannung näher beieinander liegen, muss der γ-Wert kleiner ausgelegt werden. Um zwischen dem Welligkeitsstrom des Induktors und der Größe zu wählen, beträgt γ gemäß dem traditionellen Konstruktionserfahrungswert normalerweise 0,2 bis 0,5. Im Folgenden wird RT7276 als Beispiel verwendet, um die Berechnung der Induktivität und die Auswahl handelsüblicher Induktivitäten zu veranschaulichen.

Designbeispiel: Entwickelt mit dem erweiterten synchronen Gleichrichtungs-Abwärtswandler RT7276 mit konstanter Einschaltzeit (Advanced Constant On-Time; ACOTTM), seine Schaltfrequenz beträgt 700 kHz, die Eingangsspannung beträgt 4,5 V bis 18 V und die Ausgangsspannung beträgt 1,05 V . Der Volllaststrom beträgt 3A. Wie oben erwähnt, muss der Induktivitätswert unter den Bedingungen der maximalen Eingangsspannung von 18 V und der Volllast von 3 A ausgelegt werden, der Wert von γ wird mit 0,35 angenommen und der obige Wert wird in Gleichung (7), die Induktivität, eingesetzt Wert ist

Verwenden Sie einen Induktor mit einem herkömmlichen Nenninduktivitätswert von 1,5 µH. Ersetzen Sie Formel (5), um den Welligkeitsstrom der Induktivität wie folgt zu berechnen.

Daher beträgt der Spitzenstrom des Induktors

Und der Effektivwert des Induktorstroms (IRMS) beträgt

Da die Welligkeitskomponente des Induktors klein ist, ist der Effektivwert des Induktorstroms hauptsächlich seine Gleichstromkomponente, und dieser Effektivwert wird als Grundlage für die Auswahl des Induktor-Nennstroms IDC verwendet. Bei einem Design mit Leistungsreduzierung (Derating) um 80 % gelten folgende Induktivitätsanforderungen:

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

Tabelle 5 listet die verfügbaren Induktoren verschiedener TDK-Serien auf, die in der Größe ähnlich, aber unterschiedlich in der Gehäusestruktur sind. Aus der Tabelle ist ersichtlich, dass der Sättigungsstrom und der Nennstrom des gestanzten Induktors (SPM6530T-1R5M) groß sind, der Wärmewiderstand gering und die Wärmeableitung gut ist. Darüber hinaus ist das Kernmaterial des gestanzten Induktors gemäß der Diskussion im vorherigen Kapitel ein Eisenpulverkern und wird daher mit dem Ferritkern der halbgeschirmten (VLS6045EX-1R5N) und geschirmten (SLF7055T-1R5N) Induktoren verglichen mit Magnetkleber. , Hat gute DC-Bias-Eigenschaften. Abbildung 11 zeigt den Effizienzvergleich verschiedener Induktivitäten, die im erweiterten synchronen Gleichrichtungs-Abwärtswandler RT7276 mit konstanter Einschaltzeit eingesetzt werden. Die Ergebnisse zeigen, dass der Effizienzunterschied zwischen den dreien nicht signifikant ist. Wenn Sie Probleme mit der Wärmeableitung, den DC-Vorspannungseigenschaften und der Magnetfeldableitung berücksichtigen, wird die Verwendung von SPM6530T-1R5M-Induktivitäten empfohlen.

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Tabelle 5. Vergleich der Induktivitäten verschiedener TDK-Serien

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Abbildung 11. Vergleich der Wandlereffizienz mit verschiedenen Induktivitäten

Wenn Sie die gleiche Gehäusestruktur und den gleichen Induktivitätswert, aber kleinere Induktivitäten wie SPM4015T-1R5M (4,4 × 4,1 × 1,5 mm) wählen, ist die Größe zwar klein, aber der Gleichstromwiderstand RDC (44,5 mΩ) und der thermische Widerstand ΘTH ( 51˚C) /W) Größer. Bei Wandlern gleicher Spezifikation ist auch der Effektivwert des von der Induktivität tolerierten Stroms gleich. Offensichtlich verringert der Gleichstromwiderstand den Wirkungsgrad bei hoher Last. Darüber hinaus bedeutet ein großer Wärmewiderstand eine schlechte Wärmeableitung. Daher ist es bei der Auswahl eines Induktors nicht nur notwendig, die Vorteile einer reduzierten Größe zu berücksichtigen, sondern auch die damit verbundenen Nachteile zu bewerten.

Abschließend

Die Induktivität ist eine der am häufigsten verwendeten passiven Komponenten in Schaltleistungswandlern, die zur Energiespeicherung und -filterung verwendet werden können. Bei der Schaltungskonstruktion muss jedoch nicht nur auf den Induktivitätswert geachtet werden, sondern auch auf andere Parameter wie Wechselstromwiderstand und Q-Wert, Stromtoleranz, Eisenkernsättigung und Gehäusestruktur usw. muss geachtet werden bei der Auswahl eines Induktors berücksichtigt werden. . Diese Parameter hängen normalerweise mit dem Kernmaterial, dem Herstellungsprozess sowie der Größe und den Kosten zusammen. Daher stellt dieser Artikel die Eigenschaften verschiedener Eisenkernmaterialien vor und zeigt, wie man eine geeignete Induktivität als Referenz für das Netzteildesign auswählt.