Comment sélectionner efficacement des inductances de puissance haute efficacité dans les convertisseurs DC-DC

Dans les convertisseurs DC-DC à haute fréquence, une inductance filtre le courant d'ondulation superposé à la sortie continue. Que le convertisseur soit de type abaisseur (buck), élévateur (boost) ou buck-boost, l'inductance lisse l'ondulation afin de fournir une sortie continue stable. Le rendement d'une inductance est maximal lorsque les pertes fer et cuivre combinées sont minimales. Pour atteindre le rendement le plus élevé — c'est-à-dire les pertes les plus faibles — en choisissant un composant adapté pour lisser le courant d'ondulation, il est essentiel de s'assurer que le noyau de l'inductance ne sature pas et que son enroulement ne surchauffe pas lorsque le courant de fonctionnement le traverse. Cet article explique comment évaluer les pertes dans les inductances et présente des méthodes permettant de concevoir et de sélectionner rapidement des inductances à haut rendement.

1. Évaluation des pertes dans les inductances

Évaluer les pertes dans le noyau et les pertes cuivre d'un inducteur est assez complexe. Les pertes dans le noyau dépendent généralement de plusieurs facteurs, tels que la valeur du courant d'ondulation, la fréquence de commutation, le matériau du noyau, les paramètres du noyau et les entreferres dans le noyau. Le courant d'ondulation du circuit et la fréquence de commutation dépendent de l'application, tandis que le matériau du noyau, ses paramètres et les entreferres dépendent de l'inductance.

L'équation la plus courante pour évaluer les pertes dans le noyau est l'équation de Steinmetz :

Où :

Pvc = Pertes de puissance par unité de volume du noyau

K, x, y = Constantes du matériau du noyau

f = Fréquence de commutation

B = Densité de flux magnétique

Cette équation montre que les pertes dans le noyau (pertes fer) dépendent de la fréquence (f) et de la densité d'induction magnétique (B). Étant donné que la densité d'induction magnétique dépend du courant d'ondulation, ces deux paramètres sont des variables dépendant de l'application. Les pertes dans le noyau sont également liées à la conception propre de l'inductance, car le matériau du noyau détermine les constantes K, x et y. En outre, la densité d'induction magnétique est déterminée conjointement par la section efficace du noyau (Ae) et le nombre de spires (N). Par conséquent, les pertes dans le noyau dépendent à la fois de l'application et de la conception spécifique de l'inductance.

En revanche, le calcul des pertes cuivre en continu est relativement simple :

Où :

Pdc = Pertes de puissance en continu (W)

Idc_rms = Courant efficace de l'inductance (A)

DCR = Résistance continue de l'enroulement de l'inductance (Ω)

L'évaluation des pertes cuivre en alternatif est plus complexe, car elles augmentent en raison de la résistance alternative plus élevée causée par l'effet de peau et l'effet de proximité à haute fréquence. Une courbe de RSE (résistance série équivalente) ou de RAC (résistance en courant alternatif) peut montrer une certaine augmentation de la résistance à des fréquences plus élevées. Toutefois, ces courbes sont généralement mesurées à des niveaux de courant très faibles et ne tiennent donc pas compte des pertes fer dues au courant d'ondulation, ce qui est une source fréquente de confusion.

Par exemple, considérons la courbe RSE en fonction de la fréquence illustrée à la figure 1.

Figure 1. RSE en fonction de la fréquence

Selon ce graphique, la RSE est très élevée au-dessus de 1 MHz. L'utilisation de cette inductance à des fréquences supérieures semblerait entraîner des pertes cuivre très importantes, ce qui la rendrait inadaptée. Dans une application réelle, toutefois, les pertes réelles de l'inductance sont bien inférieures à celles suggérées par cette courbe.

Considérons l'exemple suivant :

Supposons qu'un convertisseur délivre une sortie de 5 V à 0,4 A (2,0 W) avec une fréquence de commutation de 200 kHz. Une inductance de 10 µH Codaca l'inductance est sélectionnée, avec sa relation typique de la résistance équivalente série (ESR) en fonction de la fréquence illustrée à la Figure 1. À la fréquence de fonctionnement de 200 kHz, l'ESR est d'environ 0,8 Ω.

Pour un convertisseur abaisseur, le courant moyen dans l'inductance est égal au courant de charge de 0,4 A. Nous pouvons calculer les pertes dans l'inductance comme suit :

6,0 % = 0,128 W / (2,0 W + 0,128 W) (l'inductance consommerait 6 % de la puissance d'entrée)

Cependant, si nous faisons fonctionner le même convertisseur à 4 MHz, nous pouvons voir à partir de la courbe ESR que R est d'environ 11 Ω. La perte de puissance dans l'inductance serait alors :

46,8 % = 1,76 W / (2,0 W + 1,76 W) (l'inductance consommerait 46,8 % de la puissance d'entrée)

D'après ce calcul, il semblerait que cette inductance ne devrait pas être utilisée à cette fréquence ou à des fréquences supérieures.

En pratique, le rendement du convertisseur est bien meilleur que celui calculé à partir de la courbe ESR-fréquence. Voici pourquoi :

La Figure 2 montre une forme d'onde de courant simplifiée pour un convertisseur abaisseur en mode de conduction continue avec un faible courant d'ondulation.

Figure 2. Forme d'onde de courant simplifiée du convertisseur Buck

En supposant que l'Ip-p (courant d'ondulation crête à crête) représente environ 10 % du courant moyen :

I_dc = 0,4 A

I_p-p = 0,04 A

Pour évaluer précisément les pertes de l'inductance, il faut les diviser en pertes à basse fréquence (pertes continues) et pertes à haute fréquence.

La résistance à basse fréquence (qui correspond effectivement à la DCR) est d'environ 0,7 Ω selon le graphique. Le courant est la valeur efficace du courant de charge ajoutée au courant d'ondulation. Étant donné que le courant d'ondulation est faible, le courant effectif est approximativement égal au courant de charge continu.

Pour les pertes à haute fréquence, cela donne , R est l'ESR (200 kHz), où I est simplement la valeur efficace (rms) du courant d'ondulation :

À 200 kHz, les pertes alternatives s'élèvent à :

Par conséquent, à 200 kHz, les pertes totales prévues de l'inductance sont de 0,112 W + 0,000106 W = 0,112106 W.

La perte prédite à 200 kHz est seulement légèrement supérieure (moins de 1 %) à la perte prédite par la RDC.

Calculons maintenant la perte à 4 MHz. La perte à basse fréquence reste identique à 0,112 W.

Le calcul de la perte en courant alternatif doit utiliser la ESR à 4 MHz, que nous avions précédemment estimée à 11 Ω :

Par conséquent, la perte totale du bobinage à 4 MHz est de 0,112 W + 0,00147 W = 0,11347 W.

Ceci est bien plus révélateur. La perte prédite est seulement d'environ 1,3 % supérieure à la perte due à la RDC, ce qui est très inférieur aux 1,76 W prédits précédemment. En outre, on n'utiliserait pas la même valeur d'inductance à 4 MHz qu'à 200 kHz ; une valeur d'inductance plus faible serait utilisée, et la RDC de ce bobinage plus petit serait également plus faible.

2. Conception de bobinage haute efficacité

Pour les convertisseurs en mode de courant continu où le courant d'ondulation est faible par rapport au courant de charge, un calcul raisonnable des pertes doit être effectué en utilisant une combinaison de la résistance continue (DCR) et de la résistance équivalente en série (ESR). De plus, la perte calculée à partir de la courbe ESR ne comprend pas les pertes ferromagnétiques. Le rendement d'une inductance est déterminé par la somme de ses pertes cuivre et fer. Codaca optimise le rendement des inductances en sélectionnant des matériaux à faibles pertes et en concevant des inductances pour une perte totale minimale. L'utilisation d'enroulements plats permet d'obtenir la DCR la plus faible possible pour une taille donnée, réduisant ainsi les pertes cuivre. Des matériaux de noyau améliorés réduisent les pertes dans le noyau à haute fréquence, augmentant par conséquent le rendement global de l'inductance.

Par exemple, La série CSEG d'inductances moulées de puissance de Codaca est optimisée pour les applications à haute fréquence et à courant de pointe élevé. Ces inductances présentent des caractéristiques de saturation progressive tout en offrant les pertes alternatives les plus faibles et une DCR plus basse aux fréquences de 200 kHz et au-dessus.

La figure 3 montre les caractéristiques d'inductance en fonction du courant pour des inductances de 3,8/3,3 µH issues de la série. CSBX , CSEC , et CSEB les séries CSBX, CSEC et CSEB sont clairement les meilleurs choix pour maintenir l'inductance à des courants de 12 A ou plus.

Tableau 1. Comparaison de la DCR et de Isat pour les séries CSBX, CSEC et CSEB.

Lors de la comparaison des pertes alternatives et des pertes totales des inductances à 200 kHz, la série CSEB, grâce à sa structure innovante qui surpasse toutes les conceptions précédentes, atteint les pertes continues et alternatives les plus faibles. Cela fait de la série CSEB le choix optimal pour les applications de convertisseurs de puissance haute fréquence devant supporter des courants de crête élevés tout en nécessitant des pertes continues et alternatives aussi faibles que possible.

Figure 3. Comparaison des courbes de courant de saturation et de courant de montée en température pour des inductances de 3,8/3,3 μH des séries CSBX, CSEC et CSEB.

Figure 4. Comparaison des pertes alternatives et des pertes totales à 200 kHz pour les séries CSBX, CSEC et CSEB.

3. Outil de sélection rapide des inductances

Afin d'accélérer le processus de sélection de l'inductance pour les ingénieurs, Codaca a développé des outils de sélection capables de calculer les pertes à partir de données mesurées sur le noyau et l'enroulement pour chaque condition d'application possible. Les résultats de ces outils incluent les pertes dans le noyau et dans l'enroulement dépendant du courant et de la fréquence, éliminant ainsi la nécessité de demander des informations confidentielles sur la conception de l'inductance (telles que le matériau du noyau, Ae et le nombre de spires) ou d'effectuer des calculs manuels.

Les outils de sélection Codaca calculent la valeur d'inductance requise en fonction des conditions de fonctionnement telles que la tension d'entrée/de sortie, la fréquence de commutation, le courant moyen et le courant d'ondulation. En saisissant ces informations dans notre chercheur d'inductances de puissance, vous pouvez filtrer les inductances répondant à ces critères, chaque inductance ayant son inductance, sa résistance continue (DCR), son courant de saturation, son courant de montée en température, sa température de fonctionnement et d'autres informations listées.

Si vous connaissez déjà l'inductance requise et le courant nécessaire pour votre application, vous pouvez saisir ces informations directement dans le Power Inductor Finder les résultats afficheront les pertes dans le noyau et dans l'enroulement, ainsi que le courant de saturation nominal pour chaque inductance, ce qui vous permet de vérifier si l'inductance restera proche de ses spécifications de conception dans les conditions de courant maximal de l'application.

Ces outils peuvent également être utilisés pour tracer le comportement de l'inductance en fonction du courant afin de comparer les différences et les avantages des différents types d'inductances. Vous pouvez commencer par trier les résultats selon les pertes totales. Placer toutes les informations relatives aux inductances (jusqu'à quatre types) sur un seul graphique et les trier facilite cette analyse, ce qui vous aide à sélectionner l'inductance la plus efficace.

Le calcul des pertes totales peut être complexe, mais ces calculs sont intégrés aux outils de sélection de Codaca, ce qui rend la sélection, la comparaison et l'analyse aussi simples que possible, vous permettant ainsi de choisir plus efficacement un inductance de puissance haute performance.

【Références】 :

Site web Codaca : Sélection de l'inductance pour convertisseur DC/DC - Shenzhen Codaca Electronics Co., Ltd. (codaca.com)

Site web Codaca : Recherche d'inductance de puissance - Shenzhen Codaca Electronics Co., Ltd. (codaca.com)

Site web Codaca : Comparaison des pertes des inductances de puissance - Shenzhen Codaca Electronics Co., Ltd. (codaca.com)