چگونه به‌طور کارآمد سلف‌های توان با راندمان بالا را در مبدل‌های DC-DC انتخاب کنیم

در مبدل‌های DC-DC با فرکانس بالا، سلف جریان ریپل اعمال‌شده بر خروجی DC را فیلتر می‌کند. صرف‌نظر از اینکه مبدل از نوع بوک، بوست یا بوک-بوست باشد، سلف ریپل را هموار می‌کند تا خروجی DC پایداری ایجاد کند. بازده سلف زمانی حداکثر است که تلفات ترکیبی آهن و مس در حداقل مقدار خود باشند. برای دستیابی به بالاترین بازده—یعنی کمترین تلفات—انتخاب یک قطعه مناسب برای هموار کردن جریان ریپل ضروری است و مهم است که اطمینان حاصل کنیم هنگام عبور جریان کاری، هسته سلف اشباع نشود و سیم‌پیچ آن بیش از حد گرم نشود. این مقاله نحوه ارزیابی تلفات سلف را معرفی می‌کند و روش‌هایی برای طراحی و انتخاب سریع سلف‌های با بازده بالا ارائه می‌دهد.

1. ارزیابی تلفات سلف

ارزیابی تلفات هسته و مس در یک سیم‌پیچ بسیار پیچیده است. تلفات هسته معمولاً به عوامل متعددی بستگی دارد، از جمله مقدار جریان ریپل، فرکانس سوئیچینگ، ماده هسته، پارامترهای هسته و شکاف‌های هوای موجود در هسته. جریان ریپل و فرکانس سوئیچینگ مدار به کاربرد آن بستگی دارند، در حالی که ماده هسته، پارامترها و شکاف‌های هوایی به خود سیم‌پیچ بستگی دارند.

معمول‌ترین معادله برای ارزیابی تلفات هسته، معادله اشتاینمتز است:

جایی که:

Pvc = تلفات توان در واحد حجم هسته

K، x، y = ثابت‌های مربوط به ماده هسته

f = فرکانس سوئیچینگ

B = چگالی شار مغناطیسی

این معادله نشان می‌دهد که تلفات هسته (تلفات آهنی) به فرکانس (f) و چگالی شار مغناطیسی (B) بستگی دارد. از آنجا که چگالی شار مغناطیسی به جریان ریپل وابسته است، هر دو متغیری وابسته به کاربرد محسوب می‌شوند. تلفات هسته همچنین به خود القاکننده نیز مربوط می‌شود، زیرا ماده تشکیل‌دهنده هسته، مقادیر ثابت‌های K، x و y را تعیین می‌کند. علاوه بر این، چگالی شار مغناطیسی توسط سطح موثر هسته (Ae) و تعداد دورهای سیم‌پیچ (N) به صورت توأم تعیین می‌شود. بنابراین، تلفات هسته به هر دو عامل کاربرد و طراحی خاص القاکننده بستگی دارد.

در مقابل، محاسبه تلفات مسی مستقیم (DC) نسبتاً ساده است:

جایی که:

Pdc = تلفات توان مستقیم (وات)

Idc_rms = جریان موثر القاکننده (آمپر)

DCR = مقاومت مستقیم سیم‌پیچ القاکننده (اهم)

ارزیابی تلفات مسی AC پیچیده‌تر است، زیرا این تلفات به دلیل افزایش مقاومت AC ناشی از اثر سطحی و اثر نزدیکی در فرکانس‌های بالا، افزایش می‌یابد. منحنی ESR (مقاومت سری معادل) یا ACR (مقاومت AC) ممکن است افزایشی در مقاومت را در فرکانس‌های بالاتر نشان دهد. با این حال، این منحنی‌ها معمولاً در سطوح جریان بسیار پایین اندازه‌گیری می‌شوند و بنابراین شامل تلفات آهنی ناشی از جریان ریپل نمی‌شوند که این امر اغلب منجر به سوءتفاهم می‌شود.

به عنوان مثال، منحنی ESR در مقابل فرکانس نشان داده شده در شکل ۱ را در نظر بگیرید.

شکل ۱. ESR در مقابل فرکانس

بر اساس این نمودار، ESR در فرکانس‌های بالاتر از ۱ مگاهرتز بسیار بالاست. استفاده از این القاکننده در فرکانس‌های بالاتر از این حد به نظر می‌رسد منجر به تلفات مسی بسیار زیادی شود و بنابراین انتخاب مناسبی محسوب نشود. با این حال، در کاربردهای واقعی، تلفات واقعی القاکننده بسیار کمتر از مقداری است که این منحنی نشان می‌دهد.

مثال زیر را در نظر بگیرید:

فرض کنید یک مبدل خروجی ۵ ولت در ۰٫۴ آمپر (۲٫۰ وات) با فرکانس سوئیچینگ ۲۰۰ کیلوهرتز دارد. یک القاکننده ۱۰ میکروهرتزی کدکا سیم‌پیچ انتخاب شده است، که رابطه معمول آن بین ESR و فرکانس در شکل ۱ نشان داده شده است. در فرکانس کاری ۲۰۰ کیلوهرتز، ESR تقریباً ۰٫۸ اهم است.

برای یک مبدل پایین‌بر، جریان متوسط سیم‌پیچ برابر با جریان بار ۰٫۴ آمپر است. ما می‌توانیم تلفات سیم‌پیچ را به صورت زیر محاسبه کنیم:

۶٫۰٪ = ۰٫۱۲۸ وات / (۲٫۰ وات + ۰٫۱۲۸ وات) (سیم‌پیچ ۶٪ توان ورودی را مصرف می‌کند)

اما اگر همین مبدل را در فرکانس ۴ مگاهرتز کار کنیم، از منحنی ESR مشاهده می‌شود که R حدود ۱۱ اهم است. تلفات توان در سیم‌پیچ آنگاه برابر خواهد بود با:

۴۶٫۸٪ = ۱٫۷۶ وات / (۲٫۰ وات + ۱٫۷۶ وات) (سیم‌پیچ ۴۶٫۸٪ توان ورودی را مصرف می‌کند)

بر اساس این محاسبه، به نظر می‌رسد که این سیم‌پیچ نباید در این فرکانس یا بالاتر از آن استفاده شود.

در عمل، راندمان مبدل بسیار بهتر از آنچه از منحنی ESR-فرکانس محاسبه شده است، می‌باشد. دلیل این است:

شکل ۲ یک موج جریان ساده‌شده برای یک مبدل پایین‌بر در حالت رسانش پیوسته با جریان ریپل کوچک را نشان می‌دهد.

شکل 2. شکل موج جریان کاهنده ساده‌شده

با فرض اینکه جریان Ip-p (جریان ریپل از رو به رو) حدود 10٪ از جریان متوسط باشد:

I_dc = 0.4 A

I_p-p = 0.04 A

برای ارزیابی دقیق تلفات سلف، باید آن را به تلفات کم‌فرکانس (تلفات مستقیم) و تلفات پرفرکانس تقسیم کرد.

مقاومت کم‌فرکانس (که در عمل همان DCR است) از روی نمودار تقریباً 0.7Ω است. جریان مورد نظر، مقدار RMS جریان بار به علاوه جریان ریپل است. از آنجا که جریان ریپل کوچک است، جریان مؤثر تقریباً برابر با جریان بار DC است.

برای تلفات پرفرکانس، اینگونه است , R مقاومت معادل سری (ESR) در 200 کیلوهرتز است، که در آن I تنها مقدار RMS جریان ریپل است:

در فرکانس 200 کیلوهرتز، تلفات AC برابر است با:

بنابراین، در فرکانس 200 کیلوهرتز، تلفات کل پیش‌بینی‌شده سلف برابر است با 0.112 وات + 0.000106 وات = 0.112106 وات.

تلفات پیش‌بینی‌شده در ۲۰۰ کیلوهرتز تنها اندکی بیشتر (کمتر از ۱٪) از تلفات پیش‌بینی‌شده توسط DCR است.

اکنون، بیایید تلفات را در ۴ مگاهرتز محاسبه کنیم. تلفات فرکانس پایین همان ۰٫۱۱۲ وات باقی می‌ماند.

برای محاسبه تلفات AC باید از ESR در ۴ مگاهرتز استفاده کرد که قبلاً آن را ۱۱ اهم تخمین زده بودیم:

بنابراین، کل تلفات سلف در ۴ مگاهرتز برابر است با ۰٫۱۱۲ وات + ۰٫۰۰۱۴۷ وات = ۰٫۱۱۳۴۷ وات.

این نتیجه بسیار گویاتر است. تلفات پیش‌بینی‌شده تنها حدود ۱٫۳٪ بیشتر از تلفات DCR است که بسیار کمتر از ۱٫۷۶ وات پیش‌بینی‌شده قبلی است. علاوه بر این، مقدار اندوکتانسی که در ۴ مگاهرتز استفاده می‌شود معمولاً همان مقداری نیست که در ۲۰۰ کیلوهرتز به کار می‌رود؛ مقدار اندوکتانس کوچک‌تری استفاده خواهد شد و DCR آن سلف کوچک‌تر نیز پایین‌تر خواهد بود.

۲. طراحی سلف با بازده بالا

در مبدل‌های حالت جریان پیوسته که جریان ریپل نسبت به جریان بار کوچک است، باید محاسبه‌ای منطقی از تلفات با استفاده از ترکیب DCR و ESR انجام شود. علاوه بر این، تلفات محاسبه‌شده از روی منحنی ESR شامل تلفات آهنی نمی‌شود. بازده یک سیم‌پیچ از مجموع تلفات مسی و آهنی آن تعیین می‌شود. کوداکا با انتخاب مواد کم‌تلفات و طراحی سیم‌پیچ‌ها برای حداقل تلفات کلی، بازده سیم‌پیچ را بهینه می‌کند. استفاده از پیچش‌های سیم تخت کمترین DCR را در یک اندازه مشخص فراهم می‌کند و در نتیجه تلفات مسی را کاهش می‌دهد. مواد هسته بهبودیافته، تلفات هسته را در فرکانس‌های بالا کاهش می‌دهند و بدین ترتیب بازده کلی سیم‌پیچ را افزایش می‌دهند.

به عنوان مثال، سری CSEG کوداکا از سیم‌پیچ‌های توان قالب‌گیری‌شده برای کاربردهای با فرکانس بالا و جریان اوج بالا بهینه‌سازی شده است. این سیم‌پیچ‌ها دارای مشخصه اشباع نرم بوده و در عین حال کمترین تلفات AC و DCR پایین‌تری را در فرکانس‌های ۲۰۰ کیلوهرتز و بالاتر ارائه می‌دهند.

شکل 3 مشخصه‌های اندوکتانس در مقابل جریان را برای سیم‌پیچ‌های 3.8/3.3 میکروهنری از سری سی‌اس‌بی‌اکس , سی‌اس‌ای‌سی ، و سی‌اس‌ای‌بی نشان می‌دهد. سری‌های CSBX، CSEC و CSEB به وضوح بهترین انتخاب‌ها برای حفظ اندوکتانس در جریان‌های 12 آمپر یا بالاتر هستند.

جدول 1. مقایسه DCR و Isat برای سری‌های CSBX، CSEC و CSEB.

هنگام مقایسه تلفات AC و تلفات کل سیم‌پیچ‌ها در فرکانس 200 کیلوهرتز، سری CSEB با ساختار نوآورانه‌اش که تمام طراحی‌های قبلی را پشت سر می‌گذارد، پایین‌ترین تلفات DC و AC را به دست می‌آورد. این امر سری CSEB را به انتخابی ایده‌آل برای کاربردهای مبدل‌های توان با فرکانس بالا تبدیل می‌کند که باید جریان‌های شدید را تحمل کنند و در عین حال به کمترین تلفات ممکن DC و AC نیاز دارند.

شکل 3. مقایسه منحنی‌های جریان اشباع و جریان افزایش دمای سیم‌پیچ‌های 3.8/3.3 میکروهنری در سری‌های CSBX، CSEC و CSEB.

شکل 4. مقایسه تلفات AC و تلفات کل در 200 کیلوهرتز برای سری‌های CSBX، CSEC و CSEB.

3. ابزار انتخاب سریع سیم‌پیچ

برای تسریع در فرآیند انتخاب القاگر برای مهندسان، کوداکا ابزارهای انتخابی توسعه داده است که می‌توانند تلفات را بر اساس داده‌های اندازه‌گیری شده از هسته و سیم‌پیچ برای تمام شرایط کاربردی محاسبه کنند. نتایج این ابزارها شامل تلفات هسته و سیم‌پیچ وابسته به جریان و فرکانس هستند و نیاز به درخواست اطلاعات طراحی القاگرهای اختصاصی (مانند جنس هسته، Ae و تعداد دورهای سیم‌پیچ) یا انجام محاسبات دستی را حذف می‌کنند.

ابزارهای انتخاب کوداکا مقدار اندوکتانس مورد نیاز را بر اساس شرایط کاری مانند ولتاژ ورودی/خروجی، فرکانس سوئیچینگ، جریان متوسط و جریان ریپل محاسبه می‌کنند. با وارد کردن این اطلاعات در یافته‌گر القای توان ما، می‌توانید فیلتری برای القاگرهایی که این الزامات را برآورده می‌کنند اعمال کنید و اندوکتانس، DCR، جریان اشباع، جریان افزایش دما، دمای کاری و سایر اطلاعات هر القاگر را مشاهده کنید.

اگر اندوکتانس و جریان مورد نیاز برای کاربرد خود را از قبل می‌دانید، می‌توانید این اطلاعات را مستقیماً در Power Inductor Finder ​ وارد کنید. نتایج، تلفات هسته و سیم‌پیچ و همچنین رتبه‌بندی جریان اشباع برای هر سلف را نمایش خواهند داد و به شما امکان می‌دهند تا بررسی کنید آیا سلف در شرایط جریان حداکثر کاربرد، نزدیک به مشخصات طراحی خود باقی می‌ماند یا خیر.

همچنین می‌توان از این ابزارها برای رسم رفتار اندوکتانس نسبت به جریان استفاده کرد تا تفاوت‌ها و مزایای انواع مختلف سلف مقایسه شوند. می‌توانید با مرتب‌سازی نتایج بر اساس تلفات کل شروع کنید. قرار دادن تمام اطلاعات سلف‌ها (حداکثر چهار نوع) روی یک نمودار واحد و مرتب‌سازی آن‌ها به این تحلیل کمک می‌کند و امکان انتخاب سلفی کارآمدتر را فراهم می‌سازد.

محاسبه تلفات کل می‌تواند پیچیده باشد، اما این محاسبات در ابزارهای انتخاب کدآکا گنجانده شده‌اند و انتخاب، مقایسه و تحلیل را تا حد ممکن ساده می‌کنند تا بتوانید به‌طور کارآمدتری یک سلف توان با راندمان بالا انتخاب کنید.

【منابع】:

وب‌سایت کوداکا: انتخاب سیم‌پیچ مبدل DC/DC - شرکت الکترونیک شنژن کوداکا (codaca.com)

وب‌سایت کوداکا: یافتن‌کننده سیم‌پیچ توان - شرکت الکترونیک شنژن کوداکا (codaca.com)

وب‌سایت کوداکا: مقایسه تلفات سیم‌پیچ توان - شرکت الکترونیک شنژن کوداکا (codaca.com)