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En los convertidores CC-CC de alta frecuencia, un inductor filtra la corriente de rizado superpuesta a la salida de corriente continua. Tanto si el convertidor tiene una topología reductora, elevadora o reductora-elevadora, el inductor suaviza el rizado para proporcionar una salida de corriente continua estable. La eficiencia de un inductor es máxima cuando las pérdidas combinadas de hierro y cobre son mínimas. Para lograr la máxima eficiencia, es decir, la menor pérdida posible, mediante la selección de un componente adecuado para suavizar la corriente de rizado, es fundamental asegurarse de que el núcleo del inductor no se sature y de que su bobinado no se sobrecaliente cuando pase la corriente de funcionamiento. Este artículo explica cómo evaluar las pérdidas en inductores y presenta métodos para diseñar y seleccionar rápidamente inductores de alta eficiencia.
1. Evaluación de las pérdidas en inductores
Evaluar las pérdidas en el núcleo y en el cobre de un inductor es bastante complejo. Las pérdidas en el núcleo generalmente dependen de varios factores, como el valor de la corriente de rizado, la frecuencia de conmutación, el material del núcleo, los parámetros del núcleo y los entrehierros en el núcleo. La corriente de rizado y la frecuencia de conmutación del circuito dependen de la aplicación, mientras que el material del núcleo, sus parámetros y los entrehierros dependen del inductor.
La ecuación más común para evaluar las pérdidas en el núcleo es la ecuación de Steinmetz:
Donde:
Pvc = Pérdida de potencia por unidad de volumen del núcleo
K, x, y = Constantes del material del núcleo
f = Frecuencia de conmutación
B = Densidad de flujo magnético
Esta ecuación muestra que las pérdidas en el núcleo (pérdidas de hierro) dependen de la frecuencia (f) y de la densidad de flujo magnético (B). Dado que la densidad de flujo magnético depende de la corriente de rizado, ambas son variables dependientes de la aplicación. Las pérdidas en el núcleo también están relacionadas con el inductor mismo, ya que el material del núcleo determina las constantes K, x e y. Además, la densidad de flujo magnético está determinada conjuntamente por el área efectiva del núcleo (Ae) y el número de vueltas (N). Por lo tanto, las pérdidas en el núcleo dependen tanto de la aplicación como del diseño específico del inductor.
En contraste, calcular las pérdidas de cobre DC es relativamente sencillo:
Donde:
Pdc = Pérdida de potencia DC (W)
Idc_rms = Corriente RMS del inductor (A)
DCR = Resistencia DC del devanado del inductor (Ω)
Evaluar las pérdidas de cobre en corriente alterna es más complejo, ya que aumentan debido a la mayor resistencia en corriente alterna causada por el efecto piel y el efecto de proximidad a altas frecuencias. Una curva de ESR (Resistencia Serie Equivalente) o ACR (Resistencia en CA) puede mostrar un cierto aumento de la resistencia a frecuencias más altas. Sin embargo, estas curvas suelen medirse a niveles de corriente muy bajos y, por tanto, no incluyen las pérdidas en el núcleo magnético resultantes de la corriente de rizado, lo cual es una causa común de malentendidos.
Por ejemplo, considere la curva de ESR frente a frecuencia mostrada en la Figura 1.
Figura 1. ESR frente a Frecuencia
Según este gráfico, el ESR es muy alto por encima de 1 MHz. Utilizar esta bobina por encima de esta frecuencia parecería provocar unas pérdidas de cobre muy elevadas, lo que la haría una opción inadecuada. En una aplicación real, sin embargo, las pérdidas reales de la bobina son mucho menores de lo que sugiere esta curva.
Considere el siguiente ejemplo:
Suponga que un convertidor tiene una salida de 5 V a 0,4 A (2,0 W) y una frecuencia de conmutación de 200 kHz. Una bobina de 10 µH Codaca se selecciona un inductor, con su relación típica de ESR frente a frecuencia mostrada en la Figura 1. En la frecuencia de operación de 200 kHz, el ESR es aproximadamente 0,8 Ω.
Para un convertidor reductor, la corriente media en el inductor es igual a la corriente de carga de 0,4 A. Podemos calcular la pérdida en el inductor como:
6,0 % = 0,128 W / (2,0 W + 0,128 W) (el inductor consumiría el 6 % de la potencia de entrada)
Sin embargo, si operamos el mismo convertidor a 4 MHz, podemos ver en la curva de ESR que R es alrededor de 11 Ω. La pérdida de potencia en el inductor sería entonces:
46,8 % = 1,76 W / (2,0 W + 1,76 W) (el inductor consumiría el 46,8 % de la potencia de entrada)
Según este cálculo, parecería que este inductor no debería utilizarse a esta frecuencia o superiores.
En la práctica, la eficiencia del convertidor es mucho mejor de lo que se calcula a partir de la curva ESR-frecuencia. He aquí por qué:
La Figura 2 muestra una forma de onda de corriente simplificada para un convertidor reductor en modo de conducción continua con una corriente de rizado pequeña.
Figura 2. Forma de onda de corriente simplificada del convertidor Buck
Suponiendo que la Ip-p (corriente de rizado pico a pico) es aproximadamente el 10 % de la corriente promedio:
I_dc = 0,4 A
I_p-p = 0,04 A
Para evaluar con precisión las pérdidas del inductor, estas deben dividirse en pérdidas de baja frecuencia (pérdidas de CC) y pérdidas de alta frecuencia.
La resistencia de baja frecuencia (que efectivamente es la DCR) es aproximadamente 0,7 Ω según la gráfica. La corriente es el valor eficaz (RMS) de la corriente de carga más la corriente de rizado. Dado que la corriente de rizado es pequeña, la corriente efectiva es aproximadamente igual a la corriente de carga de CC.
Para la pérdida de alta frecuencia, es decir 
, R es la ESR (200 kHz), donde I es únicamente el valor eficaz (rms) de la corriente de rizado:
A 200 kHz, la pérdida de CA es:
Por lo tanto, a 200 kHz, la pérdida total prevista en el inductor es 0,112 W + 0,000106 W = 0,112106 W.
La pérdida predicha a 200 kHz es solo ligeramente mayor (menos del 1%) que la pérdida predicha por la RDC.
Ahora, calculemos la pérdida a 4 MHz. La pérdida a baja frecuencia sigue siendo la misma, 0,112 W.
El cálculo de la pérdida de corriente alterna debe utilizar la ESR a 4 MHz, que anteriormente estimamos en 11Ω:
Por lo tanto, la pérdida total del inductor a 4 MHz es 0,112 W + 0,00147 W = 0,11347 W.
Esto es mucho más revelador. La pérdida predicha es solo alrededor de un 1,3 % mayor que la pérdida por RDC, lo cual está muy por debajo de los 1,76 W predichos anteriormente. Además, no se usaría el mismo valor de inductancia a 4 MHz que a 200 kHz; se utilizaría un valor de inductancia menor, y la RDC de ese inductor más pequeño también sería menor.
2. Diseño de Inductor de Alta Eficiencia
Para convertidores en modo de corriente continua donde la corriente de rizado es pequeña en relación con la corriente de carga, se debe realizar un cálculo de pérdidas razonable utilizando una combinación de DCR y ESR. Además, la pérdida calculada a partir de la curva de ESR no incluye la pérdida de hierro. La eficiencia de un inductor está determinada por la suma de sus pérdidas de cobre y de hierro. Codaca optimiza la eficiencia del inductor seleccionando materiales de baja pérdida y diseñando inductores para minimizar la pérdida total. El uso de devanados de alambre plano proporciona el DCR más bajo dentro de un tamaño determinado, reduciendo así la pérdida de cobre. Materiales mejorados del núcleo reducen la pérdida en el núcleo a altas frecuencias, aumentando por tanto la eficiencia general del inductor.
Por ejemplo, La serie CSEG de Codaca de inductores moldeados de potencia está optimizada para aplicaciones de alta frecuencia y corriente pico elevada. Estos inductores presentan características de saturación suave mientras ofrecen la menor pérdida de CA y un DCR más bajo a frecuencias de 200 kHz y superiores.
La figura 3 muestra las características de inductancia frente a corriente para inductores de 3.8/3.3 µH de la serie. CSBX , CSEC , y CSEB las series CSBX, CSEC y CSEB son claramente las mejores opciones para mantener la inductancia a corrientes de 12 A o superiores.
Tabla 1. Comparación de DCR e Isat para las series CSBX, CSEC y CSEB.
Al comparar las pérdidas de CA y las pérdidas totales de los inductores a 200 kHz, la serie CSEB, con su estructura innovadora que supera todos los diseños anteriores, logra las menores pérdidas de CC y de CA. Esto convierte a la serie CSEB en la opción óptima para aplicaciones de convertidores de potencia de alta frecuencia que deben soportar altas corrientes pico y requieren las pérdidas de CC y de CA más bajas posibles.
Figura 3. Comparación de las curvas de corriente de saturación y corriente de elevación de temperatura para inductores de 3.8/3.3 μH en las series CSBX, CSEC y CSEB.
Figura 4. Comparación de las pérdidas de CA y las pérdidas totales a 200 kHz para las series CSBX, CSEC y CSEB.
3. Herramienta de selección rápida de inductores
Para acelerar el proceso de selección de inductores para ingenieros, Codaca ha desarrollado herramientas de selección que pueden calcular pérdidas basadas en datos medidos del núcleo y del devanado para cada condición de aplicación posible. Los resultados de estas herramientas incluyen pérdidas en el núcleo y en el devanado dependientes de la corriente y de la frecuencia, eliminando la necesidad de solicitar información confidencial sobre el diseño del inductor (como material del núcleo, Ae y número de vueltas) o realizar cálculos manuales.
Las herramientas de selección de Codaca calculan el valor de inductancia requerido basándose en condiciones de operación como voltaje de entrada/salida, frecuencia de conmutación, corriente promedio y corriente de rizado. Al ingresar esta información en nuestro Buscador de Inductores de Potencia, puede filtrar inductores que cumplan con estos requisitos, mostrándose para cada inductor su inductancia, DCR, corriente de saturación, corriente de elevación de temperatura, temperatura de operación y otra información.
Si ya conoce la inductancia y la corriente requeridas para su aplicación, puede introducir esta información directamente en el Buscador de Inductores de Potencia . Los resultados mostrarán las pérdidas en el núcleo y en el devanado, así como la corriente de saturación nominal de cada inductor, lo que le permite verificar si el inductor se mantendrá cerca de sus especificaciones de diseño bajo las condiciones de corriente máxima de la aplicación.
Las herramientas también pueden utilizarse para graficar el comportamiento de la inductancia frente a la corriente, con el fin de comparar las diferencias y ventajas de varios tipos de inductores. Puede comenzar ordenando los resultados por pérdida total. Colocar toda la información de los inductores (hasta cuatro tipos) en una sola gráfica y ordenarlos facilita este análisis, permitiéndole seleccionar el inductor más eficiente.
El cálculo de la pérdida total puede ser complejo, pero estos cálculos están integrados en las herramientas de selección de Codaca, lo que hace que la selección, comparación y análisis sean lo más sencillos posible, permitiéndole elegir de forma más eficiente un inductor de potencia de alta eficiencia.
【Referencias】:
Sitio web de Codaca: Selección de inductores para convertidor DC/DC - Shenzhen Codaca Electronics Co., Ltd. (codaca.com)
Sitio web de Codaca: Buscador de inductores de potencia - Shenzhen Codaca Electronics Co., Ltd. (codaca.com)
Sitio web de Codaca: Comparación de pérdidas en inductores de potencia - Shenzhen Codaca Electronics Co., Ltd. (codaca.com)