So wählen Sie effizient leistungsstarke Leistungsinduktivitäten in Gleichstrom-Wandlern aus

In Hochfrequenz-DC-DC-Wandlern filtert eine Induktivität den auf dem Gleichstromausgang überlagerten Welligkeitsstrom. Egal ob der Wandler eine Abwärtswandler-, Aufwärtswandler- oder Abwärts-Aufwärtswandler-Topologie aufweist, die Induktivität glättet die Welligkeit, um eine stabile Gleichstromausgangsspannung bereitzustellen. Der Wirkungsgrad einer Induktivität ist am höchsten, wenn die summierten Eisen- und Kupferverluste minimal sind. Um den höchsten Wirkungsgrad – also die geringsten Verluste – zu erzielen, indem ein geeignetes Bauelement zur Glättung des Welligkeitsstroms ausgewählt wird, ist es entscheidend sicherzustellen, dass der Kern der Induktivität nicht in Sättigung gerät und die Wicklung bei Durchfluss des Betriebsstroms nicht überhitzt. Dieser Artikel stellt vor, wie Induktivitätsverluste bewertet werden können, und zeigt Methoden zur Auslegung und schnellen Auswahl hochwirksamer Induktivitäten auf.

1. Bewertung von Induktivitätsverlusten

Die Bewertung der Kern- und Kupferverluste einer Drossel ist recht komplex. Die Kernverluste hängen typischerweise von mehreren Faktoren ab, wie dem Welligkeitsstrom, der Schaltfrequenz, dem Kernmaterial, den Kernparametern und den Luftspalten im Kern. Der Welligkeitsstrom und die Schaltfrequenz des Schaltkreises sind anwendungsabhängig, während das Kernmaterial, die Parameter und die Luftspalten drosselabhängig sind.

Die gebräuchlichste Gleichung zur Bewertung der Kernverluste ist die Steinmetz-Gleichung:

Wo:

Pvc = Verlustleistung pro Volumeneinheit des Kerns

K, x, y = Materialkonstanten des Kerns

f = Schaltfrequenz

B = Magnetische Flussdichte

Diese Gleichung zeigt, dass die Kernverluste (Eisenverluste) von der Frequenz (f) und der magnetischen Flussdichte (B) abhängen. Da die magnetische Flussdichte vom Welligkeitsstrom abhängt, sind beide Größen anwendungsspezifische Variablen. Die Kernverluste hängen auch vom Induktor selbst ab, da das Kernmaterial die Konstanten K, x und y bestimmt. Außerdem wird die magnetische Flussdichte gemeinsam durch die effektive Kernfläche (Ae) und die Windungszahl (N) bestimmt. Daher hängen die Kernverluste sowohl von der Anwendung als auch vom spezifischen Design des Induktors ab.

Im Gegensatz dazu ist die Berechnung der DC-Kupferverluste relativ einfach:

Wo:

Pdc = Gleichstrom-Verlustleistung (W)

Idc_rms = Effektivwert des Stroms durch den Induktor (A)

DCR = Gleichstromwiderstand der Induktorspule (Ω)

Die Bewertung der Wechselstrom-Kupferverluste ist komplexer, da diese aufgrund des höheren Wechselstromwiderstands durch Skineffekt und Nähereffekt bei hohen Frequenzen zunehmen. Eine ESR- (Equivalent Series Resistance) oder ACR- (AC Resistance) Kurve kann einen gewissen Anstieg des Widerstands bei höheren Frequenzen zeigen. Diese Kurven werden jedoch typischerweise bei sehr niedrigen Stromstärken gemessen und enthalten daher nicht die Eisenverluste, die durch den Ripple-Strom entstehen, was oft zu Missverständnissen führt.

Betrachten Sie beispielsweise die ESR-über-Frequenz-Kurve in Abbildung 1.

Abbildung 1. ESR über Frequenz

Laut diesem Diagramm ist der ESR oberhalb von 1 MHz sehr hoch. Die Verwendung dieser Spule oberhalb dieser Frequenz scheint daher zu sehr hohen Kupferverlusten zu führen und wäre somit eine ungeeignete Wahl. In einer realen Anwendung sind die tatsächlichen Verluste der Spule jedoch viel geringer, als diese Kurve nahelegt.

Betrachten Sie das folgende Beispiel:

Angenommen, ein Wandler liefert 5 V bei 0,4 A (2,0 W) mit einer Schaltfrequenz von 200 kHz. Eine 10 µH Codaca ein Induktor wird ausgewählt, wobei die typische ESR-über-Frequenz-Beziehung in Abbildung 1 dargestellt ist. Bei der Betriebsfrequenz von 200 kHz beträgt die ESR etwa 0,8 Ω.

Bei einem Abwärtswandler entspricht der mittlere Induktionsstrom dem Laststrom von 0,4 A. Wir können den Verlust im Induktor wie folgt berechnen:

6,0 % = 0,128 W / (2,0 W + 0,128 W) (Der Induktor würde 6 % der Eingangsleistung verbrauchen)

Wenn wir jedoch denselben Wandler bei 4 MHz betreiben, sehen wir anhand der ESR-Kurve, dass R etwa 11 Ω beträgt. Der Leistungsverlust im Induktor wäre dann:

46,8 % = 1,76 W / (2,0 W + 1,76 W) (Der Induktor würde 46,8 % der Eingangsleistung verbrauchen)

Aufgrund dieser Berechnung scheint es, dass dieser Induktor nicht bei oder über dieser Frequenz verwendet werden sollte.

In der Praxis ist der Wirkungsgrad des Wandlers jedoch deutlich besser als der aus der ESR-Frequenz-Kurve berechnete. Hierfür gibt es folgende Gründe:

Abbildung 2 zeigt eine vereinfachte Stromwellenform für einen Abwärtswandler im kontinuierlichen Leitmodus mit kleinem Ripple-Strom.

Abbildung 2. Vereinfachte Stromwellenform des Abwärtswandlers

Unter der Annahme, dass Ip-p (Spitze-zu-Spitze-Welligkeitsstrom) etwa 10 % des Mittelwerts beträgt:

I_dc = 0,4 A

I_p-p = 0,04 A

Um die Verlustleistung der Drossel genau bewerten zu können, muss sie in Niederfrequenzverluste (Gleichstromverluste) und Hochfrequenzverluste unterteilt werden.

Der Niederfrequenzwiderstand (effektiv der DCR) beträgt gemäß dem Diagramm etwa 0,7 Ω. Der Strom ist der Effektivwert des Laststroms zuzüglich des Welligkeitsstroms. Da der Welligkeitsstrom klein ist, entspricht der effektive Strom annähernd dem Gleichstrom-Laststrom.

Für die Hochfrequenzverluste gilt folgendes , R ist der ESR (200 kHz), wobei I lediglich der Effektivwert des Welligkeitsstroms ist:

Bei 200 kHz betragen die Wechselstromverluste:

Daher beträgt die gesamte vorhergesagte Verlustleistung der Drossel bei 200 kHz 0,112 W + 0,000106 W = 0,112106 W.

Der vorhergesagte Verlust bei 200 kHz ist nur geringfügig höher (weniger als 1 %) als der aus dem DCR berechnete Verlust.

Berechnen wir nun den Verlust bei 4 MHz. Der niederfrequente Verlust bleibt mit 0,112 W unverändert.

Für die Berechnung des Wechselstromverlusts muss der ESR bei 4 MHz verwendet werden, den wir zuvor auf 11 Ω geschätzt haben:

Daher beträgt der gesamte Induktionsverlust bei 4 MHz 0,112 W + 0,00147 W = 0,11347 W.

Dies ist deutlich aussagekräftiger. Der vorhergesagte Verlust liegt nur etwa 1,3 % über dem DCR-Verlust, was weit unter dem zuvor prognostizierten Wert von 1,76 W liegt. Zudem würde man bei 4 MHz nicht denselben Induktivitätswert verwenden wie bei 200 kHz; stattdessen käme ein kleinerer Induktivitätswert zum Einsatz, und der DCR dieser kleineren Spule wäre ebenfalls niedriger.

2. Hochleistungs-Induktordesign

Für Gleichstromwandler im kontinuierlichen Betrieb, bei denen der Welligkeitsstrom im Verhältnis zum Laststrom gering ist, muss eine realistische Verlustberechnung unter Verwendung einer Kombination aus DCR und ESR durchgeführt werden. Außerdem berücksichtigt der aus der ESR-Kurve berechnete Verlust die Eisenverluste nicht. Der Wirkungsgrad einer Drossel wird durch die Summe ihrer Kupfer- und Eisenverluste bestimmt. Codaca optimiert den Wirkungsgrad von Drosseln, indem niederohmige Materialien ausgewählt und Drosseln für einen minimalen Gesamtverlust ausgelegt werden. Die Verwendung von Flachdrahtwicklungen ermöglicht den niedrigsten DCR bei gegebener Baugröße und reduziert so die Kupferverluste. Verbesserte Kernmaterialien verringern die Kernverluste bei hohen Frequenzen und steigern dadurch den Gesamtwirkungsgrad der Drossel.

Zum Beispiel, Die CSEG-Serie von gegossenen Leistungsdrosseln von Codaca ist für Hochfrequenz-Anwendungen mit hohen Spitzenströmen optimiert. Diese Drosseln zeichnen sich durch weiche Sättigungseigenschaften aus und bieten die niedrigsten Wechselstromverluste sowie einen niedrigeren DCR bei Frequenzen ab 200 kHz.

Abbildung 3 zeigt die Induktivität in Abhängigkeit von der Stromstärke für 3,8/3,3 µH-Drosseln der CSBX , CSEC , und CSEB serie. Die Serien CSBX, CSEC und CSEB sind eindeutig die besten Wahlmöglichkeiten, um die Induktivität bei Strömen von 12 A oder höher aufrechtzuerhalten.

Tabelle 1. Vergleich von DCR und Isat für die Serien CSBX, CSEC und CSEB.

Beim Vergleich der Wechselstromverluste und Gesamtverluste der Drosseln bei 200 kHz erzielt die CSEB-Serie mit ihrer innovativen Struktur, die alle bisherigen Konzepte übertrifft, die niedrigsten Gleichstrom- und Wechselstromverluste. Dadurch ist die CSEB-Serie die optimale Wahl für Hochfrequenz-Stromwandleranwendungen, die hohen Spitzenströmen standhalten müssen und gleichzeitig die niedrigstmöglichen Gleichstrom- und Wechselstromverluste erfordern.

Abbildung 3. Vergleich der Sättigungsstrom- und Temperaturanstiegsstrom-Kurven für 3,8/3,3 µH-Drosseln der Serien CSBX, CSEC und CSEB.

Abbildung 4. Vergleich der Wechselstromverluste und Gesamtverluste bei 200 kHz für die Serien CSBX, CSEC und CSEB.

3. Schnellauswahltool für Drosseln

Um den Induktorauswahlprozess für Ingenieure zu beschleunigen, hat Codaca Auswahlwerkzeuge entwickelt, die Verluste basierend auf gemessenen Kern- und Wicklungsdaten für jede mögliche Anwendungsbedingung berechnen können. Die Ergebnisse dieser Werkzeuge enthalten stromabhängige und frequenzabhängige Kern- und Wicklungsverluste und eliminieren so die Notwendigkeit, proprietäre Induktordesigninformationen (wie Kernmaterial, Ae und Windungszahl) anzufordern oder manuelle Berechnungen durchzuführen.

Die Codaca-Auswahlwerkzeuge berechnen den erforderlichen Induktivitätswert basierend auf Betriebsbedingungen wie Eingangs-/Ausgangsspannung, Schaltfrequenz, Durchschnittsstrom und Welligkeitsstrom. Durch die Eingabe dieser Informationen in unseren Leistungsinduktorsucher können Sie nach Induktoren filtern, die diese Anforderungen erfüllen, wobei die Induktivität, DCR, Sättigungsstrom, Temperaturanstiegsstrom, Betriebstemperatur und weitere Informationen für jeden Induktor aufgelistet sind.

Wenn Sie die erforderliche Induktivität und den Strom für Ihre Anwendung bereits kennen, können Sie diese Informationen direkt in den Leistungsinduktivitäts-Suchtool eingeben. Die Ergebnisse zeigen die Kern- und Wicklungsverluste sowie die Sättigungsstrom-Bewertung für jede Drossel an, sodass Sie überprüfen können, ob die Drossel unter den Spitzenstrombedingungen der Anwendung nahe an ihren Auslegungswerten bleibt.

Die Tools können auch verwendet werden, um das Verhalten der Induktivität in Abhängigkeit vom Strom darzustellen, um die Unterschiede und Vorteile verschiedener Drosseltypen zu vergleichen. Sie können beginnen, indem Sie die Ergebnisse nach Gesamtverlust sortieren. Wenn alle Informationen zu den Drosseln (bis zu vier Typen) in einem einzigen Diagramm dargestellt und sortiert werden, erleichtert dies die Analyse und ermöglicht die Auswahl der effizientesten Drossel.

Die Berechnung der Gesamtverluste kann komplex sein, aber diese Berechnungen sind in Codacas Auswahltools integriert, wodurch die Auswahl, der Vergleich und die Analyse so einfach wie möglich werden, sodass Sie eine leistungseffiziente Leistungs-Drossel effizienter auswählen können.

【Referenzen】:

Codaca-Website: Auswahl des DC/DC-Wandler-Drossels – Shenzhen Codaca Electronics Co., Ltd. (codaca.com)

Codaca-Website: Power-Inductor-Sucher – Shenzhen Codaca Electronics Co., Ltd. (codaca.com)

Codaca-Website: Vergleich der Verluste von Leistungsinduktoren – Shenzhen Codaca Electronics Co., Ltd. (codaca.com)