lajme

Përmbledhje

Induktorët janë komponentë shumë të rëndësishëm në konvertuesit e ndërrimit, të tilla si ruajtja e energjisë dhe filtrat e energjisë. Ka shumë lloje të induktorëve, si për aplikime të ndryshme (nga frekuenca e ulët në frekuencë të lartë), ose materiale të ndryshme bërthamore që ndikojnë në karakteristikat e induktorit, etj. Induktorët e përdorur në konvertuesit komutues janë komponentë magnetikë me frekuencë të lartë. Megjithatë, për shkak të faktorëve të ndryshëm si materialet, kushtet e funksionimit (të tilla si tensioni dhe rryma) dhe temperatura e ambientit, karakteristikat dhe teoritë e paraqitura janë mjaft të ndryshme. Prandaj, në projektimin e qarkut, përveç parametrit bazë të vlerës së induktivitetit, duhet të merret parasysh ende marrëdhënia midis rezistencës së rezistencës së induktorit dhe rezistencës dhe frekuencës AC, humbjes së bërthamës dhe karakteristikave të rrymës së ngopjes, etj. Ky artikull do të prezantojë disa materiale të rëndësishme të bërthamës së induktit dhe karakteristikat e tyre, si dhe do t'i udhëzojë inxhinierët e energjisë që të zgjedhin induktorët standardë të disponueshëm në treg.

Parathënie

Induktori është një komponent induksioni elektromagnetik, i cili formohet duke mbështjellë një numër të caktuar mbështjelljesh (spiralje) në një bobin ose bërthamë me një tel të izoluar. Kjo spirale quhet spirale induktive ose Induktor. Sipas parimit të induksionit elektromagnetik, kur spiralja dhe fusha magnetike lëvizin në lidhje me njëra-tjetrën, ose spiralja gjeneron një fushë magnetike alternative përmes një rryme alternative, do të gjenerohet një tension i induktuar për t'i rezistuar ndryshimit të fushës magnetike origjinale. dhe kjo karakteristikë e frenimit të ndryshimit aktual quhet induktancë.

Formula e vlerës së induktivitetit është si formula (1), e cila është në përpjesëtim me përshkueshmërinë magnetike, katrorin e rrotullimit të mbështjelljes N dhe sipërfaqen e prerjes tërthore të qarkut magnetik ekuivalent Ae, dhe është në përpjesëtim të zhdrejtë me gjatësinë ekuivalente të qarkut magnetik le . Ka shumë lloje të induktivitetit, secila e përshtatshme për aplikime të ndryshme; induktiviteti lidhet me formën, madhësinë, metodën e mbështjelljes, numrin e rrotullimeve dhe llojin e materialit magnetik të ndërmjetëm.

(1)

Në varësi të formës së bërthamës së hekurit, induktiviteti përfshin bërthamën toroidale, E dhe daullen; Për sa i përket materialit të bërthamës së hekurit, ekzistojnë kryesisht bërthama qeramike dhe dy lloje të buta magnetike. Ato janë ferrit dhe pluhur metalik. Në varësi të strukturës ose metodës së paketimit, ka tela të plagosur, me shumë shtresa dhe të derdhura, dhe plaga me tela ka jo të mbrojtur dhe gjysmën e ngjitësit magnetik të mbrojtur (gjysmë të mbrojtur) dhe të mbrojtur (të mbrojtur), etj.

Induktori vepron si një qark i shkurtër në rrymën e drejtpërdrejtë dhe paraqet rezistencë të lartë ndaj rrymës alternative. Përdorimet bazë në qarqe përfshijnë mbytjen, filtrimin, akordimin dhe ruajtjen e energjisë. Në aplikimin e konvertuesit komutues, induktori është komponenti më i rëndësishëm i ruajtjes së energjisë dhe formon një filtër me kalim të ulët me kondensatorin e daljes për të reduktuar valëzimin e tensionit të daljes, kështu që ai gjithashtu luan një rol të rëndësishëm në funksionin e filtrimit.

Ky artikull do të prezantojë materialet e ndryshme thelbësore të induktorëve dhe karakteristikat e tyre, si dhe disa nga karakteristikat elektrike të induktorëve, si një referencë e rëndësishme vlerësimi për zgjedhjen e induktorëve gjatë projektimit të qarkut. Në shembullin e aplikimit, si të llogaritet vlera e induktivitetit dhe si të zgjidhet një induktor standard i disponueshëm në treg do të prezantohet përmes shembujve praktikë.

Lloji i materialit bazë

Induktorët e përdorur në konvertuesit komutues janë komponentë magnetikë me frekuencë të lartë. Materiali bërthamë në qendër ndikon më shumë në karakteristikat e induktorit, të tilla si impedanca dhe frekuenca, vlera dhe frekuenca e induktivitetit ose karakteristikat e ngopjes së bërthamës. Më poshtë do të prezantojë krahasimin e disa materialeve të zakonshme të bërthamës së hekurit dhe karakteristikat e tyre të ngopjes si një referencë e rëndësishme për zgjedhjen e induktorëve të fuqisë:

1. Bërthama qeramike

Bërthama qeramike është një nga materialet e zakonshme të induktivitetit. Përdoret kryesisht për të siguruar strukturën mbështetëse të përdorur gjatë mbështjelljes së spirales. Quhet gjithashtu "induktor i bërthamës së ajrit". Për shkak se bërthama e hekurit e përdorur është një material jo magnetik me një koeficient të temperaturës shumë të ulët, vlera e induktivitetit është shumë e qëndrueshme në intervalin e temperaturës së funksionimit. Megjithatë, për shkak të materialit jomagnetik si medium, induktiviteti është shumë i ulët, gjë që nuk është shumë e përshtatshme për aplikimin e konvertuesve të fuqisë.

2. Ferrit

Bërthama e ferritit e përdorur në induktorët e përgjithshëm me frekuencë të lartë është një përbërje ferriti që përmban zink nikel (NiZn) ose zink mangan (MnZn), i cili është një material i butë magnetik ferromagnetik me shtrëngim të ulët. Figura 1 tregon lakoren e histerezës (lak BH) të një bërthame të përgjithshme magnetike. Forca shtrënguese HC e një materiali magnetik quhet gjithashtu forcë shtrënguese, që do të thotë se kur materiali magnetik është magnetizuar në ngopje magnetike, magnetizimi (magnetizimi) i tij reduktohet në zero Forca e kërkuar e fushës magnetike në atë kohë. Shtrëngimi më i ulët nënkupton rezistencë më të ulët ndaj demagnetizimit dhe gjithashtu nënkupton humbje më të ulët të histerezës.

Ferritet mangan-zink dhe nikel-zink kanë përshkueshmëri relative relativisht të lartë (μr), përkatësisht rreth 1500-15000 dhe 100-1000. Përshkueshmëria e tyre e lartë magnetike e bën bërthamën e hekurit më të lartë në një vëllim të caktuar. Induktiviteti. Megjithatë, disavantazhi është se rryma e tolerueshme e ngopjes së saj është e ulët dhe pasi bërthama e hekurit të jetë e ngopur, përshkueshmëria magnetike do të bjerë ndjeshëm. Referojuni figurës 4 për trendin në rënie të përshkueshmërisë magnetike të bërthamave të hekurit të ferritit dhe pluhurit kur bërthama e hekurit është e ngopur. Krahasimi. Kur përdoret në induktorët e fuqisë, një hendek ajri do të lihet në qarkun kryesor magnetik, i cili mund të zvogëlojë përshkueshmërinë, të shmangë ngopjen dhe të ruajë më shumë energji; kur përfshihet hendeku i ajrit, përshkueshmëria relative ekuivalente mund të jetë rreth 20- ndërmjet 200. Meqenëse rezistenca e lartë e vetë materialit mund të zvogëlojë humbjen e shkaktuar nga rryma vorbull, humbja është më e ulët në frekuenca të larta dhe është më e përshtatshme për transformatorët me frekuencë të lartë, induktorët e filtrit EMI dhe induktorët e ruajtjes së energjisë të konvertuesve të fuqisë. Për sa i përket frekuencës së funksionimit, feriti nikel-zink është i përshtatshëm për përdorim (>1 MHz), ndërsa feriti mangan-zink është i përshtatshëm për brezat e frekuencës më të ulët (<2 MHz).

1

Figura 1. Kurba e histerezës së bërthamës magnetike (BR: remanenca; BSAT: dendësia e fluksit magnetik të ngopjes)

3. Bërthama hekuri pluhur

Bërthamat e hekurit pluhur janë gjithashtu materiale ferromagnetike të buta magnetike. Ato janë bërë prej lidhjeve pluhur hekuri të materialeve të ndryshme ose vetëm pluhur hekuri. Formula përmban materiale jomagnetike me madhësi të ndryshme grimcash, kështu që kurba e ngopjes është relativisht e butë. Bërthama e hekurit pluhur është kryesisht toroidale. Figura 2 tregon bërthamën e hekurit pluhur dhe pamjen e saj në prerje tërthore.

Bërthamat e zakonshme të hekurit pluhur përfshijnë aliazh hekur-nikel-molibden (MPP), sendust (Sendust), aliazh hekur-nikel (fluks i lartë) dhe bërthama pluhur hekuri (pluhur hekuri). Për shkak të përbërësve të ndryshëm, karakteristikat dhe çmimet e tij janë gjithashtu të ndryshme, gjë që ndikon në zgjedhjen e induktorëve. Në vijim do të prezantohen llojet kryesore të lartpërmendura dhe do të krahasohen karakteristikat e tyre:

A. Lidhje hekur-nikel-molibden (MPP)

Lidhja Fe-Ni-Mo shkurtohet si MPP, e cila është shkurtesa e pluhurit molypermalloy. Përshkueshmëria relative është rreth 14-500, dhe dendësia e fluksit magnetik të ngopjes është rreth 7500 Gauss (Gauss), që është më e lartë se densiteti i fluksit magnetik të ngopjes së ferritit (rreth 4000-5000 Gauss). Shumë jashtë. MPP ka humbjen më të vogël të hekurit dhe ka stabilitetin më të mirë të temperaturës midis bërthamave të hekurit pluhur. Kur rryma e jashtme DC arrin rrymën e ngopjes ISAT, vlera e induktivitetit zvogëlohet ngadalë pa dobësim të menjëhershëm. MPP ka performancë më të mirë, por kosto më të lartë, dhe zakonisht përdoret si induktor i energjisë dhe filtrim EMI për konvertuesit e energjisë.

B. Sendust

Bërthama hekuri e aliazhit hekur-silikon-alumin është një bërthamë hekuri e aliazhuar e përbërë nga hekur, silikon dhe alumin, me një përshkueshmëri magnetike relative prej rreth 26 deri në 125. Humbja e hekurit është midis bërthamës së pluhurit të hekurit dhe MPP-së dhe aliazhit hekur-nikel. . Dendësia e fluksit magnetik të ngopjes është më e lartë se MPP, rreth 10500 Gauss. Stabiliteti i temperaturës dhe karakteristikat aktuale të ngopjes janë paksa inferiore ndaj MPP dhe aliazhit hekur-nikel, por më të mira se bërthama e pluhurit të hekurit dhe bërthama e ferritit, dhe kostoja relative është më e lirë se MPP dhe aliazhi hekur-nikel. Përdoret kryesisht në filtrimin EMI, qarqet e korrigjimit të faktorit të fuqisë (PFC) dhe induktorët e fuqisë së konvertuesve të fuqisë komutuese.

C. Lidhje hekur-nikel (fluks i lartë)

Bërthama e aliazhit hekur-nikel është prej hekuri dhe nikeli. Përshkueshmëria relative magnetike është rreth 14-200. Humbja e hekurit dhe stabiliteti i temperaturës janë midis MPP dhe aliazhit hekur-silikon-alumin. Bërthama e aliazhit hekur-nikel ka densitetin më të lartë të fluksit magnetik të ngopjes, rreth 15,000 Gauss, dhe mund t'i rezistojë rrymave më të larta të paragjykimit DC, dhe karakteristikat e tij të paragjykimit DC janë gjithashtu më të mira. Fusha e aplikimit: Korrigjimi i faktorit aktiv të fuqisë, induktiviteti i ruajtjes së energjisë, induktiviteti i filtrit, transformatori i frekuencës së lartë të konvertuesit të kthimit, etj.

D. Pluhur hekuri

Bërthama e pluhurit të hekurit është bërë nga grimca pluhuri hekuri me pastërti të lartë me grimca shumë të vogla që janë të izoluara nga njëra-tjetra. Procesi i prodhimit e bën atë të ketë një hendek të shpërndarë ajri. Përveç formës së unazës, format e zakonshme të bërthamës së pluhurit të hekurit kanë gjithashtu lloje të tipit E dhe stampimit. Përshkueshmëria relative magnetike e bërthamës së pluhurit të hekurit është rreth 10 deri në 75, dhe dendësia e fluksit magnetik të ngopjes së lartë është rreth 15000 Gauss. Ndër bërthamat e hekurit pluhur, bërthama pluhur hekuri ka humbjen më të madhe të hekurit, por koston më të ulët.

Figura 3 tregon kthesat BH të ferritit mangan-zink PC47 të prodhuar nga TDK dhe bërthamat e hekurit pluhur -52 dhe -2 të prodhuara nga MICROMETALS; Përshkueshmëria relative magnetike e ferritit mangan-zink është shumë më e lartë se ajo e bërthamave të hekurit pluhur dhe është e ngopur. Dendësia e fluksit magnetik është gjithashtu shumë e ndryshme, feriti është rreth 5000 Gauss dhe bërthama e pluhurit të hekurit është më shumë se 10000 Gauss.

3

Figura 3. Kurba BH e ferritit mangan-zink dhe bërthamave pluhur hekuri të materialeve të ndryshme

Në përmbledhje, karakteristikat e ngopjes së bërthamës së hekurit janë të ndryshme; sapo të tejkalohet rryma e ngopjes, përshkueshmëria magnetike e bërthamës së ferritit do të bjerë ndjeshëm, ndërsa bërthama e pluhurit të hekurit mund të ulet ngadalë. Figura 4 tregon karakteristikat e rënies së përshkueshmërisë magnetike të një bërthame hekuri pluhur me të njëjtën përshkueshmëri magnetike dhe një ferrit me një hendek ajri nën fuqi të ndryshme të fushës magnetike. Kjo shpjegon edhe induktivitetin e bërthamës së ferritit, sepse përshkueshmëria bie ndjeshëm kur bërthama është e ngopur, siç shihet nga ekuacioni (1), gjithashtu shkakton rënie të mprehtë të induktivitetit; ndërsa bërthama pluhur me boshllëk ajri të shpërndarë, përshkueshmëria magnetike Shpejtësia ulet ngadalë kur bërthama e hekurit është e ngopur, kështu që induktiviteti zvogëlohet më butësisht, domethënë ka karakteristika më të mira të paragjykimit DC. Në aplikimin e konvertuesve të fuqisë, kjo karakteristikë është shumë e rëndësishme; nëse karakteristika e ngadaltë e ngopjes së induktorit nuk është e mirë, rryma e induktorit rritet deri në rrymën e ngopjes dhe rënia e papritur e induktivitetit do të bëjë që stresi aktual i kristalit komutues të rritet ndjeshëm, gjë që është e lehtë të shkaktojë dëme.

4

Figura 4. Karakteristikat e rënies së përshkueshmërisë magnetike të bërthamës së hekurit pluhur dhe bërthamës së hekurit ferrit me boshllëk ajri nën fuqi të ndryshme të fushës magnetike.

Karakteristikat elektrike të induktorit dhe struktura e paketimit

Kur dizajnoni një konvertues komutues dhe zgjidhni një induktor, vlera e induktivitetit L, impedanca Z, rezistenca AC ACR dhe vlera Q (faktori i cilësisë), rryma e vlerësuar IDC dhe ISAT, dhe humbja e bërthamës (humbja e bërthamës) dhe karakteristika të tjera të rëndësishme elektrike janë të gjitha të nevojshme. të merren parasysh. Përveç kësaj, struktura e paketimit të induktorit do të ndikojë në madhësinë e rrjedhjes magnetike, e cila nga ana tjetër ndikon në EMI. Në vijim do të diskutohen veçmas karakteristikat e lartpërmendura si konsiderata për zgjedhjen e induktorëve.

1. Vlera e induktivitetit (L)

Vlera e induktivitetit të një induktori është parametri bazë më i rëndësishëm në projektimin e qarkut, por duhet të kontrollohet nëse vlera e induktivitetit është e qëndrueshme në frekuencën e funksionimit. Vlera nominale e induktivitetit zakonisht matet në 100 kHz ose 1 MHz pa një paragjykim të jashtëm DC. Dhe për të siguruar mundësinë e prodhimit masiv të automatizuar, toleranca e induktorit është zakonisht ±20% (M) dhe ±30% (N). Figura 5 është grafiku karakteristik i frekuencës së induktivitetit të induktorit Taiyo Yuden NR4018T220M i matur me matësin LCR të Wayne Kerr. Siç tregohet në figurë, kurba e vlerës së induktivitetit është relativisht e sheshtë përpara 5 MHz, dhe vlera e induktivitetit pothuajse mund të konsiderohet si një konstante. Në brezin e frekuencës së lartë për shkak të rezonancës së krijuar nga kapaciteti dhe induktiviteti parazitar, vlera e induktivitetit do të rritet. Kjo frekuencë rezonancë quhet frekuenca vetë-rezonante (SRF), e cila zakonisht duhet të jetë shumë më e lartë se frekuenca e funksionimit.

5

Figura 5, Taiyo Yuden NR4018T220M diagrami i matjes karakteristike të induktivitetit-frekuencës

2. Impedanca (Z)

Siç tregohet në figurën 6, diagrami i impedancës mund të shihet edhe nga performanca e induktancës në frekuenca të ndryshme. Impedanca e induktorit është afërsisht proporcionale me frekuencën (Z=2πfL), kështu që sa më e lartë të jetë frekuenca, reaktansa do të jetë shumë më e madhe se rezistenca AC, kështu që impedanca sillet si një induktivitet i pastër (faza është 90˚). Në frekuenca të larta, për shkak të efektit të kapacitetit parazitar, mund të shihet pika e frekuencës vetë-rezonante e impedancës. Pas kësaj pike, impedanca bie dhe bëhet kapacitive, dhe faza gradualisht ndryshon në -90 ˚.

6

3. Vlera Q dhe rezistenca AC (ACR)

Vlera Q në përkufizimin e induktancës është raporti i reaktancës ndaj rezistencës, domethënë raporti i pjesës imagjinare me pjesën reale të impedancës, si në formulën (2).

(2)

Ku XL është reaktansa e induktorit, dhe RL është rezistenca AC e induktorit.

Në rangun e frekuencës së ulët, rezistenca AC është më e madhe se reaktanca e shkaktuar nga induktanca, kështu që vlera e saj Q është shumë e ulët; ndërsa frekuenca rritet, reaktansa (rreth 2πfL) bëhet më e madhe dhe më e madhe, edhe nëse rezistenca për shkak të efektit të lëkurës (efekti i lëkurës) dhe efekti i afërsisë (afërsisë)) Efekti bëhet gjithnjë e më i madh dhe vlera Q vazhdon të rritet me frekuencën. ; kur i afrohemi SRF, reaktanca induktive kompensohet gradualisht nga reaktanca kapacitive dhe vlera Q gradualisht bëhet më e vogël; kur SRF bëhet zero, sepse reaktanca induktive dhe reaktanca kapacitive janë plotësisht të njëjta Zhduken. Figura 7 tregon lidhjen midis vlerës Q dhe frekuencës së NR4018T220M, dhe marrëdhënia është në formën e një zile të përmbysur.

7

Figura 7. Marrëdhënia midis vlerës Q dhe frekuencës së induktorit Taiyo Yuden NR4018T220M

Në brezin e frekuencës së aplikimit të induktivitetit, sa më e lartë të jetë vlera Q, aq më mirë; do të thotë se reaktansa e tij është shumë më e madhe se rezistenca AC. Në përgjithësi, vlera më e mirë Q është mbi 40, që do të thotë se cilësia e induktorit është e mirë. Megjithatë, në përgjithësi, ndërsa paragjykimi DC rritet, vlera e induktivitetit do të ulet dhe vlera Q do të ulet gjithashtu. Nëse përdoret tel i sheshtë i emaluar ose tel i emaluar me shumë fije, efekti i lëkurës, domethënë rezistenca AC, mund të zvogëlohet dhe vlera Q e induktorit gjithashtu mund të rritet.

Rezistenca DC DCR përgjithësisht konsiderohet si rezistenca DC e telit të bakrit dhe rezistenca mund të llogaritet sipas diametrit dhe gjatësisë së telit. Sidoqoftë, shumica e induktorëve SMD me rrymë të ulët do të përdorin saldim tejzanor për të bërë fletën e bakrit të SMD në terminalin e dredha-dredha. Megjithatë, për shkak se teli i bakrit nuk është i gjatë në gjatësi dhe vlera e rezistencës nuk është e lartë, rezistenca e saldimit shpesh përbën një pjesë të konsiderueshme të rezistencës së përgjithshme DC. Duke marrë si shembull induktorin SMD me tela CLF6045NIT-1R5N të TDK, rezistenca e matur DC është 14,6 mΩ dhe rezistenca DC e llogaritur bazuar në diametrin dhe gjatësinë e telit është 12,1 mΩ. Rezultatet tregojnë se kjo rezistencë saldimi përbën rreth 17% të rezistencës së përgjithshme DC.

Rezistenca AC ACR ka efektin e lëkurës dhe efektin e afërsisë, gjë që do të bëjë që ACR të rritet me frekuencë; në aplikimin e induktivitetit të përgjithshëm, për shkak se komponenti AC është shumë më i ulët se komponenti DC, ndikimi i shkaktuar nga ACR nuk është i dukshëm; por me ngarkesë të lehtë, për shkak se komponenti DC është zvogëluar, humbja e shkaktuar nga ACR nuk mund të injorohet. Efekti i lëkurës do të thotë që në kushte AC, shpërndarja e rrymës brenda përcjellësit është e pabarabartë dhe e përqendruar në sipërfaqen e telit, duke rezultuar në një reduktim të zonës ekuivalente të prerjes tërthore të telit, e cila nga ana tjetër rrit rezistencën ekuivalente të telit me frekuenca. Përveç kësaj, në një mbështjellje teli, telat ngjitur do të shkaktojnë shtimin dhe zbritjen e fushave magnetike për shkak të rrymës, në mënyrë që rryma të përqendrohet në sipërfaqen ngjitur me telin (ose sipërfaqja më e largët, në varësi të drejtimit të rrymës ), i cili gjithashtu shkakton përgjim ekuivalent teli. Dukuria që zvogëlohet zona dhe rritet rezistenca ekuivalente është i ashtuquajturi efekt i afërsisë; në aplikimin e induktivitetit të një mbështjelljeje me shumë shtresa, efekti i afërsisë është edhe më i dukshëm.

8

Figura 8 tregon lidhjen midis rezistencës AC dhe frekuencës së induktorit SMD të mbështjellë me tela NR4018T220M. Në një frekuencë prej 1 kHz, rezistenca është rreth 360 mΩ; në 100 kHz, rezistenca rritet në 775 mΩ; në 10 MHz, vlera e rezistencës është afër 160 Ω. Kur vlerësohet humbja e bakrit, llogaritja duhet të marrë parasysh ACR-në e shkaktuar nga efektet e lëkurës dhe të afërsisë, dhe ta modifikojë atë në formulën (3).

4. Rryma e ngopjes (ISAT)

Rryma e ngopjes ISAT është përgjithësisht rryma e paragjykimit e shënuar kur vlera e induktivitetit zbutet si 10%, 30% ose 40%. Për ferritin e hapësirës ajrore, për shkak se karakteristika e tij e rrymës së ngopjes është shumë e shpejtë, nuk ka shumë ndryshim midis 10% dhe 40%. Referojuni figurës 4. Megjithatë, nëse është një bërthamë pluhuri hekuri (siç është një induktor i stampuar), kurba e ngopjes është relativisht e butë, siç tregohet në figurën 9, rryma e paragjykimit në 10% ose 40% të dobësimit të induktivitetit është shumë të ndryshme, kështu që vlera aktuale e ngopjes do të diskutohet veçmas për dy llojet e bërthamave të hekurit si më poshtë.

Për një ferrit të hapësirës ajrore, është e arsyeshme të përdoret ISAT si kufiri i sipërm i rrymës maksimale të induktorit për aplikimet e qarkut. Megjithatë, nëse është një bërthamë pluhur hekuri, për shkak të karakteristikës së ngopjes së ngadaltë, nuk do të ketë asnjë problem edhe nëse rryma maksimale e qarkut të aplikimit tejkalon ISAT. Prandaj, kjo karakteristikë e bërthamës së hekurit është më e përshtatshme për ndërrimin e aplikacioneve të konvertuesit. Nën ngarkesë të rëndë, megjithëse vlera e induktivitetit të induktorit është e ulët, siç tregohet në figurën 9, faktori i valëzimit aktual është i lartë, por toleranca aktuale e rrymës së kondensatorit është e lartë, kështu që nuk do të jetë problem. Nën ngarkesë të lehtë, vlera e induktivitetit të induktorit është më e madhe, gjë që ndihmon në reduktimin e rrymës së valëzimit të induktorit, duke reduktuar kështu humbjen e hekurit. Figura 9 krahason lakoren e rrymës së ngopjes së ferritit të plagosur SLF7055T1R5N të TDK dhe induktorit me bërthamë pluhur hekuri të stampuar SPM6530T1R5M nën të njëjtën vlerë nominale të induktivitetit.

9

Figura 9. Kurba e rrymës së ngopjes së ferritit të plagosur dhe bërthamës pluhur hekuri të stampuar nën të njëjtën vlerë nominale të induktivitetit

5. Rryma e vlerësuar (IDC)

Vlera IDC është paragjykimi DC kur temperatura e induktorit rritet në Tr˚C. Specifikimet tregojnë gjithashtu vlerën e saj të rezistencës DC RDC në 20˚C. Sipas koeficientit të temperaturës së telit të bakrit është rreth 3,930 ppm, kur temperatura e Tr rritet, vlera e rezistencës së tij është RDC_Tr = RDC (1+0.00393Tr), dhe konsumi i tij i energjisë është PCU = I2DCxRDC. Kjo humbje e bakrit shpërndahet në sipërfaqen e induktorit dhe rezistenca termike ΘTH e induktorit mund të llogaritet:

(2)

Tabela 2 i referohet fletës së të dhënave të serisë TDK VLS6045EX (6,0×6,0×4,5mm) dhe llogarit rezistencën termike në një rritje të temperaturës prej 40˚C. Natyrisht, për induktorët me të njëjtën seri dhe madhësi, rezistenca termike e llogaritur është pothuajse e njëjtë për shkak të së njëjtës zonë të shpërndarjes së nxehtësisë sipërfaqësore; me fjalë të tjera, mund të vlerësohet IDC aktuale e vlerësuar e induktorëve të ndryshëm. Seritë (paketat) e ndryshme të induktorëve kanë rezistencë të ndryshme termike. Tabela 3 krahason rezistencën termike të induktorëve të serisë TDK VLS6045EX (gjysmë të mbrojtur) dhe serisë SPM6530 (të derdhur). Sa më e madhe të jetë rezistenca termike, aq më e lartë është rritja e temperaturës që gjenerohet kur induktiviteti rrjedh përmes rrymës së ngarkesës; përndryshe, më e ulëta.

(2)

Tabela 2. Rezistenca termike e induktorëve të serisë VLS6045EX në një rritje të temperaturës prej 40˚C

Nga Tabela 3 mund të shihet se edhe nëse madhësia e induktorëve është e ngjashme, rezistenca termike e induktorëve të stampuar është e ulët, domethënë shpërndarja e nxehtësisë është më e mirë.

(3)

Tabela 3. Krahasimi i rezistencës termike të induktorëve të ndryshëm të paketimit.

6. Humbje thelbësore

Humbja e bërthamës, e referuar si humbja e hekurit, shkaktohet kryesisht nga humbja e rrymës vorbull dhe humbja e histerezës. Madhësia e humbjes së rrymës vorbull varet kryesisht nga fakti nëse materiali bazë është i lehtë për t'u "përcjellur"; nëse përçueshmëria është e lartë, domethënë rezistenca është e ulët, humbja e rrymës vorbull është e lartë dhe nëse rezistenca e ferritit është e lartë, humbja e rrymës vorbull është relativisht e ulët. Humbja e rrymës vorbull lidhet gjithashtu me frekuencën. Sa më e lartë të jetë frekuenca, aq më e madhe është humbja e rrymës vorbull. Prandaj, materiali bazë do të përcaktojë frekuencën e duhur të funksionimit të bërthamës. Në përgjithësi, frekuenca e punës e bërthamës së pluhurit të hekurit mund të arrijë 1 MHz, dhe frekuenca e punës së ferritit mund të arrijë 10 MHz. Nëse frekuenca e funksionimit e kalon këtë frekuencë, humbja e rrymës vorbull do të rritet me shpejtësi dhe temperatura e bërthamës së hekurit do të rritet gjithashtu. Megjithatë, me zhvillimin e shpejtë të materialeve të bërthamës së hekurit, bërthamat e hekurit me frekuenca më të larta funksionimi duhet të jenë afër qoshes.

Një humbje tjetër e hekurit është humbja e histerezës, e cila është proporcionale me zonën e mbyllur nga kurba e histerezës, e cila lidhet me amplituda e lëkundjes së komponentit AC të rrymës; sa më i madh të jetë luhatja AC, aq më e madhe është humbja e histerezës.

Në qarkun ekuivalent të një induktori, një rezistencë e lidhur paralelisht me induktor përdoret shpesh për të shprehur humbjen e hekurit. Kur frekuenca është e barabartë me SRF, reaktanca induktive dhe reaktanca kapacitive anulohen dhe reaktanca ekuivalente është zero. Në këtë kohë, impedanca e induktorit është e barabartë me rezistencën e humbjes së hekurit në seri me rezistencën e mbështjelljes, dhe rezistenca e humbjes së hekurit është shumë më e madhe se rezistenca e mbështjelljes, kështu që impedanca në SRF është afërsisht e barabartë me rezistencën e humbjes së hekurit. Duke marrë si shembull një induktor të tensionit të ulët, rezistenca e tij e humbjes së hekurit është rreth 20 kΩ. Nëse vlera efektive e tensionit në të dy skajet e induktorit vlerësohet të jetë 5 V, humbja e hekurit të tij është rreth 1.25 mW, gjë që tregon gjithashtu se sa më e madhe të jetë rezistenca e humbjes së hekurit, aq më mirë.

7. Struktura e mburojës

Struktura e paketimit të induktorëve ferrit përfshin jo të mbrojtur, gjysmë të mbrojtur me ngjitës magnetik dhe të mbrojtur, dhe ka një hendek të konsiderueshëm ajri në secilin prej tyre. Natyrisht, hendeku i ajrit do të ketë rrjedhje magnetike, dhe në rastin më të keq, do të ndërhyjë në qarqet e vogla të sinjalit përreth, ose nëse ka një material magnetik afër, induktiviteti i tij gjithashtu do të ndryshojë. Një strukturë tjetër paketimi është një induktor pluhur hekuri i stampuar. Meqenëse nuk ka boshllëk brenda induktorit dhe struktura e mbështjelljes është e fortë, problemi i shpërndarjes së fushës magnetike është relativisht i vogël. Figura 10 është përdorimi i funksionit FFT të oshiloskopit RTO 1004 për të matur madhësinë e fushës magnetike të rrjedhjes në 3 mm sipër dhe në anën e induktorit të stampuar. Tabela 4 liston krahasimin e fushës magnetike të rrjedhjes së induktorëve të ndryshëm të strukturës së paketimit. Mund të shihet se induktorët jo të mbrojtur kanë rrjedhjen magnetike më serioze; induktorët e stampuar kanë rrjedhjen më të vogël magnetike, duke treguar efektin më të mirë të mbrojtjes magnetike. . Dallimi në madhësinë e fushës magnetike të rrjedhjes së induktorëve të këtyre dy strukturave është rreth 14dB, që është gati 5 herë.

10

Figura 10. Madhësia e fushës magnetike të rrjedhjes e matur në 3 mm sipër dhe në anën e induktorit të stampuar

(4)

Tabela 4. Krahasimi i fushës magnetike të rrjedhjes së induktorëve të ndryshëm të strukturës së paketimit

8. bashkim

Në disa aplikacione, ndonjëherë ka grupe të shumta të konvertuesve DC në PCB, të cilët zakonisht vendosen pranë njëri-tjetrit, dhe induktorët e tyre përkatës gjithashtu vendosen pranë njëri-tjetrit. Nëse përdorni një tip jo të mbrojtur ose gjysmë të mbrojtur me ngjitës magnetik, Induktorët mund të lidhen me njëri-tjetrin për të formuar ndërhyrje EMI. Prandaj, kur vendosni induktorin, rekomandohet fillimisht të shënoni polaritetin e induktorit dhe të lidhni pikën e fillimit dhe mbështjelljes së shtresës më të brendshme të induktorit me tensionin e kalimit të konvertuesit, siç është VSW i një konverteri buck, e cila është pika lëvizëse. Terminali i daljes është i lidhur me kondensatorin e daljes, i cili është pika statike; Prandaj mbështjellja e telit të bakrit formon një shkallë të caktuar të mbrojtjes së fushës elektrike. Në rregullimin e instalimeve elektrike të multiplekserit, fiksimi i polaritetit të induktivitetit ndihmon për të rregulluar madhësinë e induktivitetit të ndërsjellë dhe për të shmangur disa probleme të papritura të EMI.

Aplikimet:

Kapitulli i mëparshëm diskutoi materialin bazë, strukturën e paketimit dhe karakteristikat e rëndësishme elektrike të induktorit. Ky kapitull do të shpjegojë se si të zgjidhni vlerën e duhur të induktivitetit të konvertuesit të buck-it dhe konsideratat për zgjedhjen e një induktori të disponueshëm në treg.

Siç tregohet në ekuacionin (5), vlera e induktorit dhe frekuenca e ndërrimit të konvertuesit do të ndikojnë në rrymën e valëzimit të induktorit (ΔiL). Rryma e valëzimit të induktorit do të rrjedhë nëpër kondensatorin e daljes dhe do të ndikojë në rrymën e valëzimit të kondensatorit të daljes. Prandaj, do të ndikojë në zgjedhjen e kondensatorit të daljes dhe do të ndikojë më tej në madhësinë e valëzimit të tensionit të daljes. Për më tepër, vlera e induktivitetit dhe vlera e kapacitetit të daljes do të ndikojnë gjithashtu në modelin e reagimit të sistemit dhe reagimin dinamik të ngarkesës. Zgjedhja e një vlere më të madhe të induktivitetit ka më pak stres aktual në kondensator dhe është gjithashtu i dobishëm për të reduktuar valëzimin e tensionit të daljes dhe mund të ruajë më shumë energji. Sidoqoftë, një vlerë më e madhe e induktivitetit tregon një vëllim më të madh, domethënë një kosto më të lartë. Prandaj, gjatë projektimit të konvertuesit, dizajni i vlerës së induktivitetit është shumë i rëndësishëm.

(5)

Mund të shihet nga formula (5) se kur hendeku midis tensionit të hyrjes dhe tensionit të daljes është më i madh, rryma e valëzimit të induktorit do të jetë më e madhe, që është gjendja më e keqe e dizajnit të induktorit. E shoqëruar me analiza të tjera induktive, pika e projektimit të induktivitetit të konvertuesit të zbritjes zakonisht duhet të zgjidhet në kushtet e tensionit maksimal të hyrjes dhe ngarkesës së plotë.

Gjatë projektimit të vlerës së induktivitetit, është e nevojshme të bëhet një shkëmbim ndërmjet rrymës së valëzimit të induktorit dhe madhësisë së induktorit, dhe faktori i rrymës së valëzimit (faktori i rrymës së valëzimit; γ) përcaktohet këtu, si në formulën (6).

(6)

Duke zëvendësuar formulën (6) në formulën (5), vlera e induktivitetit mund të shprehet si formula (7).

(7)

Sipas formulës (7), kur diferenca midis tensionit të hyrjes dhe daljes është më e madhe, vlera γ mund të zgjidhet më e madhe; përkundrazi, nëse tensioni i hyrjes dhe i daljes janë më afër, dizajni i vlerës γ duhet të jetë më i vogël. Për të zgjedhur midis rrymës së valëzimit të induktorit dhe madhësisë, sipas vlerës së përvojës tradicionale të dizajnit, γ është zakonisht 0,2 deri në 0,5. Në vijim është marrë RT7276 si shembull për të ilustruar llogaritjen e induktancës dhe përzgjedhjen e induktorëve të disponueshëm në treg.

Shembull i projektimit: Projektuar me konvertuesin e korrigjimit sinkron në kohë të avancuar RT7276 (Advanced Constant On-Time; ACOTTM), frekuenca e tij e kalimit është 700 kHz, tensioni i hyrjes është 4,5 V në 18 V dhe voltazhi i daljes është 1,05 V . Rryma e ngarkesës së plotë është 3A. Siç u përmend më lart, vlera e induktivitetit duhet të projektohet në kushtet e tensionit maksimal të hyrjes prej 18 V dhe ngarkesës së plotë prej 3A, vlera e γ merret si 0.35 dhe vlera e mësipërme zëvendësohet në ekuacionin (7), induktivitetin vlera është

Përdorni një induktor me një vlerë nominale konvencionale të induktivitetit prej 1,5 µH. Zëvendësoni formulën (5) për të llogaritur rrymën e valëzimit të induktorit si më poshtë.

Prandaj, rryma e pikut të induktorit është

Dhe vlera efektive e rrymës së induktorit (IRMS) është

Për shkak se komponenti i valëzimit të induktorit është i vogël, vlera efektive e rrymës së induktorit është kryesisht komponenti i tij DC, dhe kjo vlerë efektive përdoret si bazë për zgjedhjen e rrymës së vlerësuar të induktorit IDC. Me dizajn 80% zvogëlues, kërkesat për induktivitetin janë:

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

Tabela 5 liston induktorët e disponueshëm të serive të ndryshme të TDK, të ngjashëm në madhësi, por të ndryshëm në strukturën e paketimit. Nga tabela mund të shihet se rryma e ngopjes dhe rryma e vlerësuar e induktorit të stampuar (SPM6530T-1R5M) janë të mëdha, dhe rezistenca termike është e vogël dhe shpërndarja e nxehtësisë është e mirë. Përveç kësaj, sipas diskutimit në kapitullin e mëparshëm, materiali bazë i induktorit të stampuar është bërthama pluhur hekuri, kështu që krahasohet me bërthamën e ferritit të induktorëve gjysmë të mbrojtur (VLS6045EX-1R5N) dhe të mbrojtur (SLF7055T-1R5N). me ngjitës magnetik. , Ka karakteristika të mira të paragjykimit DC. Figura 11 tregon krahasimin e efikasitetit të induktorëve të ndryshëm të aplikuar në konvertuesin e avancuar në kohë të korrigjimit sinkron RT7276. Rezultatet tregojnë se ndryshimi i efikasitetit midis të treve nuk është i rëndësishëm. Nëse merrni parasysh shpërndarjen e nxehtësisë, karakteristikat e paragjykimit DC dhe çështjet e shpërndarjes së fushës magnetike, rekomandohet të përdorni induktorët SPM6530T-1R5M.

(5)

Tabela 5. Krahasimi i induktancave të serive të ndryshme të TDK

11

Figura 11. Krahasimi i efikasitetit të konvertuesit me induktorë të ndryshëm

Nëse zgjidhni të njëjtën strukturë paketimi dhe vlerë induktiviteti, por induktorë me madhësi më të vogël, si SPM4015T-1R5M (4.4×4.1×1.5mm), megjithëse madhësia e tij është e vogël, por rezistenca DC RDC (44.5mΩ) dhe rezistenca termike ΘTH ( 51˚C) /W) Më e madhe. Për konvertuesit me të njëjtat specifika, vlera efektive e rrymës së toleruar nga induktori është gjithashtu e njëjtë. Natyrisht, rezistenca DC do të zvogëlojë efikasitetin nën ngarkesë të rëndë. Përveç kësaj, një rezistencë e madhe termike nënkupton shpërndarje të dobët të nxehtësisë. Prandaj, kur zgjidhni një induktor, nuk është e nevojshme vetëm të merren parasysh përfitimet e madhësisë së zvogëluar, por edhe të vlerësohen mangësitë e tij shoqëruese.

Si përfundim

Induktanca është një nga komponentët pasivë të përdorur zakonisht në konvertuesit e fuqisë komutuese, i cili mund të përdoret për ruajtjen dhe filtrimin e energjisë. Megjithatë, në projektimin e qarkut, nuk është vetëm vlera e induktivitetit që duhet t'i kushtohet vëmendje, por parametra të tjerë duke përfshirë rezistencën AC dhe vlerën Q, tolerancën aktuale, ngopjen e bërthamës së hekurit dhe strukturën e paketimit, etj., janë të gjithë parametra që duhet të merren parasysh kur zgjidhni një induktor. . Këto parametra zakonisht lidhen me materialin bazë, procesin e prodhimit dhe madhësinë dhe koston. Prandaj, ky artikull prezanton karakteristikat e materialeve të ndryshme të bërthamës së hekurit dhe mënyrën e zgjedhjes së një induktiviteti të përshtatshëm si referencë për projektimin e furnizimit me energji elektrike.