डीसी-डीसी कनवर्टर में उच्च दक्षता वाले पावर इंडक्टर का दक्षतापूर्वक चयन कैसे करें

उच्च-आवृत्ति डीसी-डीसी कनवर्टर में, एक प्रेरक (इंडक्टर) डीसी आउटपुट पर अतिमिश्रित लहरिला धारा को फ़िल्टर करता है। चाहे कनवर्टर बक, बूस्ट या बक-बूस्ट टोपोलॉजी का हो, प्रेरक लहरिलापन को समतल करके स्थिर डीसी आउटपुट प्रदान करता है। एक प्रेरक की दक्षता तब सबसे अधिक होती है जब लौह और तांबा नुकसान का योग न्यूनतम होता है। लहरिला धारा को समतल करने के लिए एक उच्च गुणवत्ता वाले घटक का चयन करके सर्वोच्च दक्षता—अर्थात् न्यूनतम नुकसान—प्राप्त करने के लिए यह महत्वपूर्ण है कि सुनिश्चित किया जाए कि प्रेरक का कोर संतृप्त न हो और इसकी वाइंडिंग संचालन धारा के प्रवाह के दौरान अत्यधिक गर्म न हो। इस लेख में प्रेरक के नुकसान का आकलन कैसे करें इसका परिचय दिया गया है तथा उच्च दक्षता वाले प्रेरकों के डिज़ाइन और त्वरित चयन के लिए विधियाँ प्रस्तुत की गई हैं।

1. प्रेरक नुकसान का आकलन

एक इंडक्टर के कोर और तांबे की हानि का आकलन करना काफी जटिल होता है। कोर हानि आमतौर पर कई कारकों पर निर्भर करती है, जैसे रिपल धारा का मान, स्विचिंग आवृत्ति, कोर सामग्री, कोर पैरामीटर और कोर में वायु अंतर। परिपथ की रिपल धारा और स्विचिंग आवृत्ति अनुप्रयोग पर निर्भर होती है, जबकि कोर सामग्री, पैरामीटर और वायु अंतर इंडक्टर पर निर्भर होते हैं।

कोर हानि का आकलन करने के लिए सबसे सामान्य समीकरण स्टेनमेट्ज़ समीकरण है:

जहाँ:

Pvc = कोर की प्रति इकाई आयतन में शक्ति हानि

K, x, y = कोर सामग्री स्थिरांक

f = स्विचिंग आवृत्ति

B = चुंबकीय फ्लक्स घनत्व

यह समीकरण दर्शाता है कि कोर नुकसान (लौह नुकसान) आवृत्ति (f) और चुंबकीय फ्लक्स घनत्व (B) पर निर्भर करता है। चूंकि चुंबकीय फ्लक्स घनत्व रिपल धारा पर निर्भर करता है, इसलिए दोनों अनुप्रयोग-आधारित चर हैं। कोर नुकसान इंडक्टर से भी संबंधित है, क्योंकि कोर सामग्री स्थिरांक K, x और y निर्धारित करती है। इसके अतिरिक्त, चुंबकीय फ्लक्स घनत्व प्रभावी कोर क्षेत्र (Ae) और टर्न की संख्या (N) द्वारा संयुक्त रूप से निर्धारित होता है। इसलिए, कोर नुकसान अनुप्रयोग और इंडक्टर के विशिष्ट डिज़ाइन दोनों पर निर्भर करता है।

इसके विपरीत, डीसी तांबा नुकसान की गणना अपेक्षाकृत सीधी होती है:

जहाँ:

Pdc = डीसी पावर नुकसान (W)

Idc_rms = इंडक्टर की आरएमएस धारा (A)

DCR = इंडक्टर वाइंडिंग का डीसी प्रतिरोध (Ω)

एसी तांबा नुकसान का मूल्यांकन करना अधिक जटिल होता है, क्योंकि उच्च आवृत्तियों पर त्वचा प्रभाव और समीपता प्रभाव के कारण उच्च एसी प्रतिरोध के कारण यह बढ़ जाता है। इक्विवेलेंट सीरीज रेजिस्टेंस (ESR) या एसी प्रतिरोध (ACR) वक्र उच्च आवृत्तियों पर प्रतिरोध में कुछ वृद्धि दिखा सकता है। हालाँकि, इन वक्रों को आमतौर पर बहुत कम धारा स्तर पर मापा जाता है और इसलिए इसमें लोहे के नुकसान शामिल नहीं होते हैं जो रिपल धारा के परिणामस्वरूप होते हैं, जो गलतफहमी का एक सामान्य बिंदु है।

उदाहरण के लिए, चित्र 1 में दिखाए गए ईएसआर बनाम आवृत्ति वक्र पर विचार करें।

चित्र 1. ईएसआर बनाम आवृत्ति

इस ग्राफ के अनुसार, 1 मेगाहर्ट्ज़ से ऊपर ईएसआर बहुत अधिक है। इस आवृत्ति से ऊपर इस प्रेरक का उपयोग करने पर लगता है कि तांबे का नुकसान बहुत अधिक होगा, जिससे यह एक अनुपयुक्त विकल्प बन जाता है। हालाँकि, वास्तविक दुनिया के अनुप्रयोग में, प्रेरक का वास्तविक नुकसान इस वक्र द्वारा सुझाए गए मूल्य से बहुत कम होता है।

निम्नलिखित उदाहरण पर विचार करें:

मान लीजिए कि एक कनवर्टर का आउटपुट 5V, 0.4A (2.0W) और स्विचिंग आवृत्ति 200 kHz है। एक 10µH Codaca इंडक्टर का चयन किया जाता है, जिसका आवृत्ति के सापेक्ष विशिष्ट ESR संबंध चित्र 1 में दिखाया गया है। 200 किलोहर्ट्ज़ संचालन आवृत्ति पर, ESR लगभग 0.8Ω है।

बक कन्वर्टर के लिए, औसत इंडक्टर धारा 0.4 A के लोड धारा के बराबर होती है। हम इंडक्टर में हानि की गणना इस प्रकार कर सकते हैं:

6.0% = 0.128W / (2.0W + 0.128W) (इंडक्टर निवेश शक्ति का 6% खपत करेगा)

हालाँकि, यदि हम इसी कन्वर्टर को 4 मेगाहर्ट्ज़ पर संचालित करते हैं, तो ESR वक्र से हम देख सकते हैं कि R लगभग 11Ω है। तब इंडक्टर में शक्ति हानि होगी:

46.8% = 1.76W / (2.0W + 1.76W) (इंडक्टर निवेश शक्ति का 46.8% खपत करेगा)

इस गणना के आधार पर, ऐसा प्रतीत होता है कि इस इंडक्टर का उपयोग इस आवृत्ति पर या इससे अधिक आवृत्ति पर नहीं किया जाना चाहिए।

व्यवहार में, कन्वर्टर की दक्षता ESR-आवृत्ति वक्र से गणना की गई दक्षता की तुलना में बहुत बेहतर होती है। इसका कारण यह है:

चित्र 2 छोटी रिपल धारा के साथ निरंतर चालन मोड में बक कन्वर्टर के लिए एक सरलीकृत धारा तरंगरूप दर्शाता है।

चित्र 2. सरलीकृत बक कन्वर्टर धारा तरंग रूप

मान लें कि Ip-p (शिखर-से-शिखर तरंग धारा) औसत धारा का लगभग 10% है:

I_dc = 0.4 A

I_p-p = 0.04 A

प्रेरक की हानि का सटीक मूल्यांकन करने के लिए, इसे निम्न-आवृत्ति हानि (डीसी हानि) और उच्च-आवृत्ति हानि में विभाजित करना चाहिए।

निम्न-आवृत्ति प्रतिरोध (जो प्रभावी रूप से DCR है) ग्राफ से लगभग 0.7Ω है। धारा लोड धारा और तरंग धारा के प्रभावी मान (RMS) है। चूंकि तरंग धारा छोटी है, प्रभावी धारा लगभग डीसी लोड धारा के बराबर होती है।

उच्च-आवृत्ति हानि के लिए, यह है , R, 200kHz पर ESR है, जहाँ I केवल तरंग धारा का प्रभावी मान (rms) है:

200 kHz पर, एसी हानि है:

इसलिए, 200 kHz पर, कुल अनुमानित प्रेरक हानि 0.112 W + 0.000106 W = 0.112106 W है।

200 किलोहर्ट्ज़ पर भविष्यवाणी किया गया नुकसान केवल थोड़ा अधिक है (DCR-भविष्यवाणी वाले नुकसान से कम से कम 1%)।

अब, आइए 4 मेगाहर्ट्ज़ पर नुकसान की गणना करते हैं। कम आवृत्ति वाला नुकसान 0.112 वाट पर वही रहता है।

4 मेगाहर्ट्ज़ पर ईएसआर का उपयोग करके एसी नुकसान की गणना की जानी चाहिए, जिसे हमने पहले 11Ω अनुमानित किया था:

इसलिए, 4 मेगाहर्ट्ज़ पर कुल इंडक्टर नुकसान 0.112 वाट + 0.00147 वाट = 0.11347 वाट है।

यह बहुत अधिक स्पष्ट है। भविष्यवाणी किया गया नुकसान DCR नुकसान की तुलना में केवल लगभग 1.3% अधिक है, जो पहले भविष्यवाणी किए गए 1.76 वाट से बहुत कम है। इसके अलावा, 4 मेगाहर्ट्ज़ पर वही प्रेरकत्व मान उपयोग नहीं किया जाएगा जो 200 किलोहर्ट्ज़ पर उपयोग किया जाता है; एक छोटा प्रेरकत्व मान उपयोग किया जाएगा, और उस छोटे प्रेरक का DCR भी कम होगा।

2. उच्च-दक्षता प्रेरक डिज़ाइन

लगातार धारा मोड कनवर्टर के लिए, जहां लोड धारा की तुलना में तरंग धारा छोटी होती है, डीसीआर और ईएसआर के संयोजन का उपयोग करके एक उचित हानि गणना की जानी चाहिए। इसके अतिरिक्त, ईएसआर वक्र से गणना की गई हानि में लौह हानि शामिल नहीं होती है। एक प्रेरक की दक्षता इसकी तांबा और लौह हानि के योग द्वारा निर्धारित होती है। कोडाका न्यूनतम कुल हानि के लिए प्रेरक को डिज़ाइन करके और कम-हानि वाली सामग्री का चयन करके प्रेरक दक्षता को अनुकूलित करता है। समतल तार वाइंडिंग का उपयोग दिए गए आकार के भीतर सबसे कम डीसीआर प्रदान करता है, जिससे तांबा हानि कम हो जाती है। उन्नत कोर सामग्री उच्च आवृत्तियों पर कोर हानि को कम कर देती है, जिससे प्रेरक की समग्र दक्षता बढ़ जाती है।

उदाहरण के लिए, कोडाका की सीएसईजी श्रृंखला के मोल्डेड पावर प्रेरक उच्च-आवृत्ति, उच्च-शिखर-धारा अनुप्रयोगों के लिए अनुकूलित है। इन प्रेरकों में मृदु संतृप्ति विशेषताएं होती हैं जबकि 200 किलोहर्ट्ज़ और उससे ऊपर की आवृत्तियों पर सबसे कम एसी हानि और कम डीसीआर प्रदान करते हैं।

चित्र 3 में श्रृंखला के 3.8/3.3 µH प्रेरकों के लिए प्रेरकत्व बनाम धारा विशेषताएँ दर्शाई गई हैं। सीएसबीएक्स , सीएसईसी , और सीएसईबी cSBX, CSEC, और CSEB श्रृंखला 12A या उच्च धाराओं पर प्रेरकत्व बनाए रखने के लिए स्पष्ट रूप से सर्वोत्तम विकल्प हैं।

तालिका 1. CSBX, CSEC, और CSEB के लिए DCR और Isat की तुलना।

200KHz पर प्रेरकों की AC हानि और कुल हानि की तुलना करते समय, CSEB श्रृंखला, जिसकी अभूतपूर्व संरचना पिछले सभी डिज़ाइनों को पार कर जाती है, सबसे कम DC और AC हानि प्राप्त करती है। इससे उच्च आवृत्ति वाले पावर कनवर्टर अनुप्रयोगों के लिए CSEB श्रृंखला सर्वोत्तम विकल्प बन जाती है जो उच्च शिखर धाराओं का सामना कर सकती हैं और संभवतः सबसे कम DC और AC हानि की आवश्यकता होती है।

चित्र 3. CSBX, CSEC, और CSEB श्रृंखला में 3.8/3.3μH प्रेरकों के लिए संतृप्ति धारा और तापमान वृद्धि धारा वक्रों की तुलना।

चित्र 4. CSBX, CSEC, और CSEB श्रृंखला के लिए 200KHz पर AC हानि और कुल हानि की तुलना।

3. प्रेरक त्वरित चयन उपकरण

इंजीनियरों के लिए इंडक्टर चयन प्रक्रिया को तेज करने के लिए, कोडाका ने चयन उपकरण विकसित किए हैं जो हर संभावित अनुप्रयोग स्थिति के लिए मापे गए कोर और वाइंडिंग डेटा के आधार पर हानि की गणना कर सकते हैं। इन उपकरणों के परिणामों में धारा-निर्भर और आवृत्ति-निर्भर कोर तथा वाइंडिंग हानि शामिल है, जिससे गुप्त इंडक्टर डिज़ाइन जानकारी (जैसे कोर सामग्री, Ae, और टर्न की संख्या) के लिए अनुरोध करने या मैन्युअल गणना करने की आवश्यकता समाप्त हो जाती है।

कोडाका चयन उपकरण ऑपरेटिंग स्थितियों जैसे इनपुट/आउटपुट वोल्टेज, स्विचिंग आवृत्ति, औसत धारा और रिपल धारा के आधार पर आवश्यक प्रेरकत्व मान की गणना करते हैं। इस जानकारी को हमारे पावर इंडक्टर फाइंडर में दर्ज करके, आप उन इंडक्टर्स के लिए फ़िल्टर कर सकते हैं जो इन आवश्यकताओं को पूरा करते हैं, जिसमें प्रत्येक इंडक्टर के प्रेरकत्व, DCR, संतृप्ति धारा, तापमान वृद्धि धारा, संचालन तापमान और अन्य जानकारी सूचीबद्ध होती है।

यदि आपके अनुप्रयोग के लिए आवश्यक प्रेरकत्व (इंडक्टेंस) और धारा पहले से ज्ञात है, तो आप इस जानकारी को सीधे पावर इंडक्टर फाइंडर में डाल सकते हैं। परिणाम प्रत्येक प्रेरक के लिए कोर और वाइंडिंग हानि तथा संतृप्ति धारा रेटिंग को प्रदर्शित करेंगे, जिससे आप यह सत्यापित कर सकें कि क्या प्रेरक अपने डिज़ाइन विनिर्देशों के निकट रहेगा अनुप्रयोग की चरम धारा स्थितियों के तहत।

विभिन्न प्रेरक प्रकारों के अंतर और लाभों की तुलना करने के लिए उपकरणों का उपयोग प्रेरकत्व बनाम धारा व्यवहार के आलेख बनाने के लिए भी किया जा सकता है। आप कुल हानि के आधार पर परिणामों को व्यवस्थित करके शुरुआत कर सकते हैं। एकल चार्ट पर सभी प्रेरक जानकारी (अधिकतम चार प्रकार) रखकर उन्हें व्यवस्थित करने से इस विश्लेषण में सहायता मिलती है, जिससे आप सबसे कुशल प्रेरक का चयन कर सकें।

कुल हानि की गणना जटिल हो सकती है, लेकिन ये गणनाएँ कोडाका के चयन उपकरणों में निर्मित हैं, जिससे चयन, तुलना और विश्लेषण को यथासंभव सरल बनाया जा सके, ताकि आप अधिक कुशलता से एक उच्च-दक्षता वाले पावर प्रेरक का चयन कर सकें।

【संदर्भ】:

कोडाका वेबसाइट: डीसी/डीसी कनवर्टर इंडक्टर चयन - शेनझ़ेन कोडाका इलेक्ट्रॉनिक्स कं, लिमिटेड (codaca.com)

कोडाका वेबसाइट: पावर इंडक्टर फाइंडर - शेनझ़ेन कोडाका इलेक्ट्रॉनिक्स कं, लिमिटेड (codaca.com)

कोडाका वेबसाइट: पावर इंडक्टर नुकसान तुलना - शेनझ़ेन कोडाका इलेक्ट्रॉनिक्स कं, लिमिटेड (codaca.com)