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Un inducteur est un composant passif courant de stockage d'énergie dans les circuits, jouant des rôles tels que filtrage, boost et buck dans la conception des alimentations en commutation. À l'étape initiale de la conception du schéma, les ingénieurs doivent non seulement sélectionner des valeurs d'inductance appropriées, mais aussi prendre en compte le courant que l'inducteur peut supporter, la DCR de la bobine, les dimensions mécaniques, les pertes, et ainsi de suite. S'ils ne sont pas suffisamment familiers avec les fonctions des inducteurs, ils seront souvent passifs dans la conception et consommeront beaucoup de temps.
Comprendre les Fonctions des Inducteurs
Un inducteur est le "L" dans le circuit de filtre LC à la sortie d'une alimentation en commutation. Dans une conversion buck, une extrémité de l'inducteur est connectée à la tension de sortie continue, tandis que l'autre extrémité commute entre la tension d'entrée et la masse selon la fréquence de commutation.
Dans l'état 1, l'inducteur est connecté à la tension d'entrée via le MOSFET. Dans l'état 2, l'inducteur est connecté à la masse.
En raison de l'utilisation de ce type de contrôleur, il existe deux méthodes pour connecter la bobine à la terre : par un diode ou par un MOSFET. Si la première méthode est adoptée, le convertisseur est appelé mode asynchrone. Dans le second cas, le convertisseur est qualifié de mode synchrone.
Dans l'état 1, une extrémité de la bobine est connectée à la tension d'entrée et l'autre extrémité est reliée à la tension de sortie. Pour un convertisseur buck, la tension d'entrée doit être supérieure à la tension de sortie, ce qui crée une chute de tension positive sur la bobine.
Dans l'état 2, l'extrémité de la bobine initialement connectée à la tension d'entrée est reliée à la masse. Pour un convertisseur buck, la tension de sortie est nécessairement le terminal positif, ce qui crée une chute de tension négative sur la bobine.
Formule de calcul de la tension de l'inductance
V = L(dI/dt). Comme le courant à travers l'inductance augmente lorsque la tension de l'inducteur est positive (État 1) et diminue lorsque la tension est négative (État 2), la forme d'onde du courant de l'inducteur est montrée dans la Figure 2 :
À partir de la figure ci-dessus, nous pouvons voir que le courant maximal à travers l'inducteur est le courant continu plus la moitié du courant crête-à-crête en commutation. La figure ci-dessus montre également le courant de ripple. Selon la formule mentionnée ci-dessus, le courant crête peut être calculé comme suit : où ton est le temps dans l'État 1, T est la période de commutation, et DC est le cycle d'activation de l'État 1.
Circuit de Conversion Synchrone
Circuit de Conversion Asynchrone
Rs : La résistance combinée du résistor de détection de courant et de la résistance du bobinage de l'inducteur. Vf : La chute de tension directe du diode Schottky. R : La résistance totale dans le chemin de conduction, calculée comme R = Rs + Rm, où est la résistance en état ON du MOSFET.
Saturation du cœur de l'inducteur
À partir du courant de pointe calculé de l'inducteur, nous savons que lorsque le courant à travers l'inducteur augmente, son inductance va diminuer. Cela est déterminé par les propriétés physiques du matériau du cœur. Le degré de décroissance de l'inductance est critique : si la décroissance est trop importante, le convertisseur ne fonctionnera pas normalement. Le courant auquel l'inducteur échoue en raison d'un courant excessif est appelé courant de saturation, un paramètre fondamental de l'inducteur.
La courbe de saturation des inducteurs de puissance dans les circuits de convertisseurs est cruciale et mérite attention. Pour comprendre ce concept, vous pouvez observer la courbe réellement mesurée de L en fonction du courant continu.
Lorsque le courant augmente au-delà d'un certain seuil, l'inductance diminue brusquement — un phénomène connu sous le nom de saturation. Des augmentations supplémentaires du courant peuvent entraîner une panne totale de l'inducteur.
Avec cette caractéristique de saturation, nous pouvons comprendre pourquoi tous les convertisseurs spécifient la plage de variation de la valeur d'inductance (△L ≤ 20 % ou 30 %) sous le courant de sortie continu, et pourquoi la spécification de l'inducteur inclut le paramètre Isat. Comme la variation du courant de ripple n'affecte pas significativement l'inductance, il est souhaitable dans toutes les applications de minimiser autant que possible le courant de ripple, car il influence le ripple de la tension de sortie. C'est pourquoi il y a toujours une grande préoccupation concernant le degré d'atténuation de l'inductance sous le courant de sortie continu, tandis que l'inductance sous le courant de ripple est souvent négligée dans les spécifications.
Sélection d'inducteurs appropriés pour les alimentations en tension commutée
Les inducteurs sont des composants couramment utilisés dans les alimentations en courant continu commuté. En raison de la différence de phase entre leur courant et leur tension, théoriquement, la perte est nulle. Les inducteurs servent souvent d'éléments de stockage d'énergie, présentant la caractéristique de "s'opposer à l'entrée et conserver la sortie", et sont fréquemment utilisés avec des condensateurs dans les circuits de filtrage d'entrée et de sortie pour lisser le courant.
En tant que composants magnétiques, les inducteurs sont confrontés de manière inhérente au problème de la saturation magnétique. Certaines applications permettent la saturation des inducteurs, d'autres autorisent la saturation à partir d'une certaine valeur de courant, tandis que d'autres l'interdisent strictement, nécessitant une différenciation dans des circuits spécifiques. Dans la plupart des cas, les inducteurs fonctionnent dans la "région linéaire", où la valeur d'inductance reste constante et ne varie pas en fonction de la tension ou du courant aux bornes. Cependant, les alimentations à découpage présentent un problème non négligeable : les spires des inducteurs introduisent deux paramètres distribués (ou parasites). L'un est la résistance de bobinage incontournable, et l'autre est la capacité parasite liée au processus de bobinage et aux matériaux utilisés. La capacité parasite a peu d'impact à basses fréquences, mais son effet devient de plus en plus évident lorsque la fréquence augmente. Lorsque la fréquence dépasse une certaine valeur, l'inducteur peut présenter des caractéristiques capacitives. Si la capacité parasite est regroupée sous forme d'un condensateur unique, le circuit équivalent de l'inducteur révèle son comportement capacitif au-delà d'une fréquence spécifique.
Lors de l'analyse de l'état de fonctionnement d'un inducteur dans un circuit, les caractéristiques suivantes doivent être prises en considération:
1. le nombre de personnes Quand un courant I circule à travers un inducteur L, l' énergie stockée dans l' inducteur est: E=0,5 × L× I2(1)
2.Dans un cycle de commutation, la relation entre la variation du courant de l'inducteur (valeur de pic à pic du courant ondulé) et la tension à travers l'inducteur est:
V=(L × di) /dt(2), Cela montre que la magnitude du courant ondulatoire est liée à la valeur d'inductivité.
3. Le retour de la guerre Les inducteurs subissent également des processus de charge et de décharge. Le courant à travers un inducteur est proportionnel à l'intégrale de la tension (volts-secondes) à travers lui. Tant que la tension de l'inducteur change, le taux de changement de courant di/dt changera également: une tension avant fait monter le courant linéairement, tandis qu'une tension inverse le fait descendre linéairement.
Sélection d'inducteurs pour les alimentations en courant continu de type buck
Lors de la sélection d'un inducteur pour une alimentation en courant continu de type buck, il est nécessaire de déterminer la tension d'entrée maximale, la tension de sortie, la fréquence de commutation du pouvoir, le courant de ripple maximal et le cycle d'ouverture. Ce qui suit décrit le calcul de la valeur d'inductance pour une alimentation en courant continu de type buck. Premièrement, supposons que la fréquence de commutation est de 300 kHz, la plage de tension d'entrée est de 12 V ± 10 %, le courant de sortie est de 1 A, et le courant de ripple maximal est de 300 mA.
Le schéma électrique de l'alimentation en courant continu de type buck
La tension d'entrée maximale est de 13,2 V, et le cycle d'occupation correspondant est : D = Vo/Vi = 5/13,2 = 0,379 (3), où Vo est la tension de sortie et Vi est la tension d'entrée. Lorsque le transistor de commutation est allumé, la tension à travers l'inductance est : V = Vi - Vo = 8,2 V (4). Lorsque le transistor de commutation est éteint, la tension à travers l'inductance est : V = -Vo - Vd = -5,3 V (5). dt = D/F (6). En substituant les équations (2), (3) et (6) dans l'équation (2) :
Sélection des inducteurs pour les alimentations en courant continu avec convertisseur boost
Le calcul de la valeur d'inductance pour un convertisseur de puissance à commutation boost, à l'exception du changement de la formule de relation entre le cycle d'alimentation et la tension de l'inducteur, les autres processus sont identiques à la méthode de calcul d'un convertisseur de puissance à commutation buck. En supposant que la fréquence de commutation est de 300 kHz, la plage de tension d'entrée est de 5 V ± 10 %, le courant de sortie est de 500 mA, et l'efficacité est de 80 %, le courant de ripple maximal est de 450 mA, et le cycle d'alimentation correspondant est : D = 1 - Vi/Vo = 1 - 5,5/12 = 0,542 (7).
Le schéma électrique d'un convertisseur de puissance à commutation boost
Lorsque l'interrupteur est allumé, la tension aux bornes de l'inducteur est : V = Vi = 5,5 V (8), Lorsque l'interrupteur est éteint, la tension aux bornes de l'inducteur est : V = Vo + Vd - Vi = 6,8 V (9), En substituant les formules 6/7/8 dans la formule 2, on obtient :
Veuillez noter que, contrairement aux convertisseurs buck, les convertisseurs boost n'alimentent pas continuellement le courant de charge à partir de l'inductance. Lorsque le transistor de commutation est conducteur, le courant de l'inductance passe par l'interrupteur jusqu'à la masse, tandis que le courant de charge est fourni par le condensateur de sortie. Par conséquent, le condensateur de sortie doit stocker une énergie suffisante pour alimenter la charge pendant cette période. Cependant, lorsque l'interrupteur est éteint, le courant d'inductance alimente non seulement la charge mais recharge également le condensateur de sortie.
Généralement, augmenter la valeur d'inductance réduit les ondulations de sortie mais dégrade la réponse dynamique de l'alimentation. Par conséquent, l'inductance optimale doit être choisie en fonction des exigences spécifiques de l'application. Les fréquences de commutation plus élevées permettent des valeurs d'inductance plus petites, réduisant ainsi la taille de l'inducteur et économisant de l'espace sur la carte PCB. Par conséquent, les alimentations électriques modernes tendent vers des fréquences plus élevées pour répondre à la demande de produits électroniques plus compacts.
Analyse et application des alimentations en courant continu à commutation
À propos de la loi de Lenz : Dans un circuit alimenté en courant continu, en raison de l'auto-induction de la bobine, une force électromotrice (FEM) est induite qui s'oppose à l'augmentation du courant. Par conséquent, au moment de l'allumage, le courant dans le circuit est effectivement nul, et toute la chute de tension se produit sur la bobine. Le courant augmente ensuite progressivement alors que la tension de la bobine diminue jusqu'à zéro, marquant ainsi la fin de l'état transitoire. Dans le fonctionnement des convertisseurs à commutation, l'inductance ne doit pas entrer en saturation pour garantir un stockage et un transfert d'énergie efficaces. Une inductance saturée se comporte comme un chemin direct en courant continu, perdant sa capacité à stocker de l'énergie, ce qui compromet le fonctionnement du convertisseur. Lorsque la fréquence de commutation est fixe, la valeur d'inductance doit être suffisamment grande pour éviter la saturation sous les courants de pointe.
Détermination de l'inductance dans les alimentations en tension commutée : À des fréquences de commutation plus basses, étant donné que les durées d'allumage/éteignage sont plus longues, une valeur d'inductance plus grande est nécessaire pour maintenir une sortie continue. Cela permet à l'inducteur de stocker davantage d'énergie du champ magnétique. De plus, des périodes de commutation plus longues entraînent un renouvellement d'énergie moins fréquent, ce qui conduit à des ondulations de courant relativement plus petites. Ce principe peut être expliqué par la formule : L = (dt/di) * uL où D = Vo/Vi (cycle d'occupation), dt = D/F (temps d'allumage), F = fréquence de commutation, et di = ondulation de courant. Pour les convertisseurs buck, D = 1 - Vi/Vo ; pour les convertisseurs boost, D = Vo/Vi. En réorganisant, on obtient : L = D * uL / (F * di). Lorsque F diminue, L doit augmenter proportionnellement. Inversement, en augmentant L tout en maintenant les autres paramètres constants, on réduit di (ondulation de courant). À des fréquences élevées, l'augmentation de l'inductance augmente l'impédance, ce qui entraîne des pertes de puissance accrues et une efficacité réduite. Généralement, avec une fréquence fixe, une plus grande L réduit les ondulations de sortie mais dégrade la réponse dynamique (adaptation plus lente aux changements de charge). Par conséquent, l'inductance optimale doit être choisie en fonction des exigences de l'application pour équilibrer la réduction des ondulations et les performances transitoires.