كيفية اختيار محاثات الطاقة عالية الكفاءة بكفاءة في المحولات من تيار مستمر إلى تيار مستمر

في المحولات عالية التردد من تيار مستمر إلى تيار مستمر، يقوم المحث بترشيح تيار التموج المُركَّب على مخرج التيار المستمر. سواء كان المحول بنظام خفض الجهد (buck)، أو رفعه (boost)، أو نظام خفض-رفع الجهد (buck-boost)، فإن المحث يعمل على تنعيم التموج لتوفير مخرج مستقر من التيار المستمر. تكون كفاءة المحث أعلى ما يمكن عندما تكون الخسائر الناتجة عن الحديد والنحاس معًا في أدنى حد لها. ولتحقيق أعلى كفاءة — أي أقل خسارة ممكنة — من خلال اختيار مكون جيد لتنعيم تيار التموج، من الضروري التأكد من أن قلب المحث لا يصل إلى حالة الاشباع وأن ملفه لا يسخن بشكل مفرط عند مرور التيار التشغيلي من خلاله. يقدم هذا المقال شرحًا لكيفية تقييم خسائر المحث، ويعرض طرقًا لتصميم واختيار سريع للمحطات عالية الكفاءة.

1. تقييم خسائر المحث

تقييم خسائر النواة والخسائر النحاسية في المحث هو أمر معقد إلى حد ما. وعادةً ما تعتمد خسارة النواة على عدة عوامل، مثل قيمة تيار التموج، وتكرار التبديل، ونوع مادة النواة، ومعاملات النواة، والفجوات الهوائية في النواة. ويُعد تيار التموج في الدائرة وتكرار التبديل عاملين يعتمدان على التطبيق، في حين أن مادة النواة ومعاملاتها والفجوات الهوائية تعتمد على المحث نفسه.

المعادلة الأكثر شيوعًا لتقييم خسارة النواة هي معادلة شتاينمتز:

حيث:

Pvc = فقد القدرة لكل وحدة حجم من النواة

K، x، y = ثوابت مادة النواة

f = تردد التبديل

B = كثافة التدفق المغناطيسي

تُظهر هذه المعادلة أن فقدان القلب (فقدان الحديد) يعتمد على التردد (f) وكثافة التدفق المغناطيسي (B). وبما أن كثافة التدفق المغناطيسي تعتمد على تيار التموج، فإن كلا العاملين متغيران يعتمدان على التطبيق. كما يرتبط فقدان القلب أيضًا بالمحث نفسه، لأن مادة القلب تحدد الثوابت K وx وy. علاوةً على ذلك، تتحدد كثافة التدفق المغناطيسي بالاعتماد المشترك على المساحة الفعالة للقلب (Ae) وعدد اللفات (N). وبالتالي، يعتمد فقدان القلب على كل من التطبيق والتصميم المحدد للمحث.

على النقيض، فإن حساب فقدان النحاس المستمر هو عملية نسبيًا بسيطة:

حيث:

Pdc = فقدان القدرة المستمر (واط)

Idc_rms = التيار الجذري التربيعي للمحث (أمبير)

DCR = مقاومة التيار المستمر لملف المحث (أوم)

يُعد تقييم فقدان التيار المتردد في النحاس أكثر تعقيدًا، لأنه يزداد بسبب ارتفاع مقاومة التيار المتردد الناتج عن تأثير الجلد وتأثير القرب عند الترددات العالية. قد تُظهر منحنى مقاومة التسلسل المكافئة (ESR) أو منحنى مقاومة التيار المتردد (ACR) بعض الزيادة في المقاومة عند الترددات الأعلى. ومع ذلك، فإن هذه المنحنيات تقاس عادةً عند مستويات تيار منخفضة جدًا وبالتالي لا تشمل خسائر الحديد الناتجة عن تيار التموج، وهو ما يُعد نقطة شائعة سوء الفهم.

على سبيل المثال، انظر إلى منحنى مقاومة التسلسل المكافئة مقابل التردد الموضح في الشكل 1.

الشكل 1. مقاومة التسلسل المكافئة مقابل التردد

وفقًا لهذا الرسم البياني، تكون مقاومة التسلسل المكافئة مرتفعة جدًا فوق 1 ميجاهرتز. ويبدو أن استخدام هذا المحث عند تردد أعلى من ذلك سيؤدي إلى فقدان نحاسي مرتفع جدًا، مما يجعله خيارًا غير مناسب. ولكن في تطبيق عملي حقيقي، يكون الفقد الفعلي للمحث أقل بكثير مما يوحي به هذا المنحنى.

خذ المثال التالي بعين الاعتبار:

افترض أن المحول لديه مخرج 5 فولت عند 0.4 أمبير (2.0 واط) وتردد تشغيل قدره 200 كيلوهرتز. محث 10 ميكروهنري كوداكا يتم اختيار الملف الحثي، مع عرض العلاقة النموذجية لمقاومة التسخين الفعالة (ESR) مقابل التردد في الشكل 1. عند التردد التشغيلي البالغ 200 كيلوهرتز، تكون مقاومة التسخين الفعالة حوالي 0.8 أوم.

بالنسبة لمحوّل خفض الجهد (buck converter)، يكون متوسط تيار الملف مساوياً لتيار الحمل وهو 0.4 أمبير. ويمكننا حساب الفقد في الملف على النحو التالي:

6.0% = 0.128 واط / (2.0 واط + 0.128 واط) (يستهلك الملف 6% من القدرة المدخلة)

ومع ذلك، إذا قمنا بتشغيل نفس المحوّل عند تردد 4 ميغاهرتز، يمكن ملاحظة من منحنى مقاومة التسخين الفعالة أن R تبلغ حوالي 11 أوم. عندها سيكون فقد القدرة في الملف كما يلي:

46.8% = 1.76 واط / (2.0 واط + 1.76 واط) (يستهلك الملف 46.8% من القدرة المدخلة)

بناءً على هذا الحساب، يبدو أنه لا ينبغي استخدام هذا الملف الحثي عند هذا التردد أو أعلى منه.

في الواقع، تكون كفاءة المحوّل أفضل بكثير مما يتم حسابه من منحنى مقاومة التسخين الفعالة مقابل التردد. وإليك السبب:

يُظهر الشكل 2 شكل موجة تيار مبسط لمحوّل خفض الجهد يعمل في وضع التوصيل المستمر مع تيار اهتزاز صغير.

الشكل 2. موجة تيار محول باك المبسطة

بافتراض أن التيار المتموج (القيمة القصوى إلى القصوى) يساوي حوالي 10٪ من متوسط التيار:

I_dc = 0.4 A

I_p-p = 0.04 A

لحساب خسائر المحث بدقة، يجب تقسيمها إلى خسائر ذات تردد منخفض (خسائر تيار مستمر) وخسائر ذات تردد عالٍ.

المقاومة ذات التردد المنخفض (وهي في الواقع مقاومة التيار المستمر DCR) تبلغ تقريبًا 0.7 أوم وفقًا الرسم البياني. والCurrentValue هو القيمة الجذرية المتوسطة المربعة لتيار الحمل زائد تيار التموج. وبما أن تيار التموج صغير، فإن التيار الفعّال يعادل تقريبًا تيار الحمل المستمر.

بالنسبة لخسائر التردد العالي، أي , R هي مقاومة التكافؤ المكافئة (ESR) عند 200 كيلوهرتز، حيث I هي فقط القيمة الجذرية المتوسطة المربعة لتيار التموج:

عند 200 كيلوهرتز، تكون خسارة التيار المتردد AC كما يلي:

وبالتالي، عند 200 كيلوهرتز، تكون الخسارة الكلية المتوقعة للمحث 0.112 واط + 0.000106 واط = 0.112106 واط.

الخسارة المتوقعة عند 200 كيلوهرتز أعلى قليلاً (أقل من 1٪) مقارنة بالخسارة المتوقعة بسبب مقاومة التيار المستمر (DCR).

الآن، دعونا نحسب الخسارة عند 4 ميجاهرتز. تظل الخسارة عند الترددات المنخفضة كما هي عند 0.112 واط.

يجب أن تستخدم حسابات خسارة التيار المتردد (AC) مقاومة التكافؤ (ESR) عند 4 ميجاهرتز، والتي قدّرناها سابقًا بـ 11 أوم:

وبالتالي، تكون الخسارة الكلية في المحث عند 4 ميجاهرتز هي 0.112 واط + 0.00147 واط = 0.11347 واط.

هذا أكثر إفادة. الخسارة المتوقعة أعلى بنسبة 1.3٪ تقريبًا فقط من خسارة مقاومة التيار المستمر (DCR)، وهي أقل بكثير من الخسارة المتوقعة سابقًا البالغة 1.76 واط. علاوة على ذلك، لا يستخدم المرء نفس القيمة الحثية عند 4 ميجاهرتز كما في 200 كيلوهرتز؛ بل يتم استخدام قيمة حثية أصغر، ومقاومة التيار المستمر (DCR) لهذا المحث الأصغر ستكون أيضًا أقل.

2. تصميم محث عالي الكفاءة

في المحولات التي تعمل بنمط التيار المستمر حيث يكون تيار الاهتزاز صغيرًا بالنسبة لتيار الحمل، يجب إجراء حساب معقول للخسائر باستخدام مزيج من مقاومة التيار المستمر (DCR) ومقاومة التيار الفعالة (ESR). بالإضافة إلى ذلك، فإن الخسارة المحسوبة من منحنى ESR لا تشمل خسارة الحديد. ويتم تحديد كفاءة المحث من خلال مجموع خسائر النحاس والخسائر في الحديد. تقوم شركة كوداكا بتحسين كفاءة المحث من خلال اختيار مواد منخفضة الخسارة وتصميم المحثات لتقليل إجمالي الخسائر. ويُعد استخدام لفات الأسلاك المسطحة هو الوسيلة لتحقيق أقل قيمة لـ DCR ضمن حجم معين، مما يقلل من خسائر النحاس. كما أن تحسين مواد القلب يقلل من خسائر القلب عند الترددات العالية، وبالتالي يزيد من الكفاءة الكلية للمحث.

على سبيل المثال, سلسلة CSEG من المحثات المصنوعة من قبل كوداكا تم تحسينها للتطبيقات ذات التردد العالي والتيارات الذروية العالية. وتتميز هذه المحثات بخصائص اشباع لينة، مع تقديم أقل خسارة تيار متردد وأقل قيمة لـ DCR عند الترددات التي تبلغ 200 كيلوهرتز فأكثر.

يُظهر الشكل 3 خصائص الحث مقابل التيار لمفاتيح الحث بقيمة 3.8/3.3 ميكرو هنري من السلسلة سي إس بي إكس , سي إس إي سي , و سي إس إي بي من الواضح أن السلاسل CSBX وCSEC وCSEB هي أفضل الخيارات للحفاظ على قيمة الحث عند تيارات تبلغ 12 أمبير أو أكثر.

الجدول 1. مقارنة بين مقاومة التيار المستمر (DCR) والتيار التشبعي (Isat) للسلاسل CSBX وCSEC وCSEB.

عند مقارنة الفقد في التيار المتردد والفقد الكلي للمحاثات عند تردد 200 كيلوهرتز، فإن سلسلة CSEB، مع هيكلها المبتكر الذي يتفوق على جميع التصاميم السابقة، تحقق أقل خسائر في التيار المستمر والتيار المتردد. مما يجعل سلسلة CSEB الخيار الأمثل لتطبيقات المحولات الكهربائية عالية التردد التي يجب أن تتحمل تيارات قصوى عالية، مع الحاجة إلى أقل خسائر ممكنة في التيار المستمر والتيار المتردد.

الشكل 3. مقارنة منحنيات تيار الاشباع وتيار ارتفاع درجة الحرارة لمحاثات 3.8/3.3 ميكرو هنري في السلاسل CSBX وCSEC وCSEB.

الشكل 4. مقارنة فقد التيار المتردد والفقد الكلي عند 200 كيلوهرتز للسلاسل CSBX وCSEC وCSEB.

3. أداة اختيار المحاثات السريعة

لتسريع عملية اختيار المحثات للمهندسين، طوّرت كوداكا أدوات اختيار يمكنها حساب الفاقد بناءً على بيانات قياسية للنواة واللفائف لكل ظروف التطبيق الممكنة. وتشمل نتائج هذه الأدوات فاقد النواة واللفائف المعتمد على التيار والتردد، مما يلغي الحاجة إلى طلب معلومات تصميم المحث السرية (مثل مادة النواة، Ae، وعدد اللفات) أو إجراء حسابات يدوية.

تحسب أدوات اختيار كوداكا قيمة الحث المطلوبة بناءً على ظروف التشغيل مثل جهد الدخل/الخرج، التردد التبديلي، التيار المتوسط، والتيار المتذبذب. وبإدخال هذه المعلومات في أداة البحث عن المحثات الكهربائية الخاصة بنا، يمكنك تصفية المحثات التي تستوفي هذه الشروط، مع عرض قيمة الحث لكل محث، مقاومة التيار المستمر، تيار الاشباع، تيار ارتفاع درجة الحرارة، درجة حرارة التشغيل، ومعلومات أخرى.

إذا كنت تعرف بالفعل الحث المطلوب والتيار اللازم لتطبيقك، يمكنك إدخال هذه المعلومات مباشرةً في Power Inductor Finder ​. وستعرض النتائج خسائر القلب واللفة، بالإضافة إلى تصنيف تيار الاشباع لكل حثي، مما يسمح لك بالتحقق من بقاء الحثي قريبًا من مواصفات التصميم الخاصة به تحت ظروف التيار الأقصى للتطبيق.

يمكن أيضًا استخدام الأدوات لرسم سلوك الحث مقابل التيار لمقارنة الفروق والمزايا لأنواع الحثيات المختلفة. يمكنك البدء بفرز النتائج حسب الخسارة الكلية. إن وضع جميع معلومات الحثيات (حتى أربع أنواع) على رسم بياني واحد وفرزها يساعد في هذا التحليل، ما يمكنّك من اختيار الحثي الأكثر كفاءة.

قد يكون حساب الخسارة الكلية معقدًا، ولكن هذه الحسابات مدمجة في أدوات اختيار Codaca، ما يجعل عملية الاختيار والمقارنة والتحليل بسيطة قدر الإمكان، وبالتالي يمكنك اختيار حثي طاقة عالي الكفاءة بكفاءة أكبر.

【المراجع】:

موقع Codaca: اختيار محث المحول DC/DC - شركة شنتشن كوداكا للإلكترونيات المحدودة (codaca.com)

موقع Codaca: أداة البحث عن المحث الكهربائي - شركة شنتشن كوداكا للإلكترونيات المحدودة (codaca.com)

موقع Codaca: مقارنة خسائر المحث الكهربائي - شركة شنتشن كوداكا للإلكترونيات المحدودة (codaca.com)