EN
GYORS LINKEK
A magas frekvenciájú DC-DC átalakítókban a tekercs szűri a DC kimenetre szuperponálódó hullámzó áramot. Akár buck, boost vagy buck-boost topológiáról van szó, a tekercs simítja a hullámzást, hogy stabil DC kimenetet biztosítson. A tekercs hatásfoka akkor a legmagasabb, amikor az összes vas- és rézveszteség minimális. Ahhoz, hogy a lehető legnagyobb hatásfokot érjük el – azaz a legalacsonyabb veszteséget –, fontos olyan megfelelő alkatrész kiválasztása, amely simítja a hullámzó áramot, miközben biztosított, hogy a tekercs magja ne telítődjön és a tekercselés se melegedjen túl a működési áram áthaladásakor. Ez a cikk bemutatja, hogyan értékelhetők ki a tekercsveszteségek, és ismerteti a nagyhatásfokú tekercsek tervezésének és gyors kiválasztásának módszereit.
1. Tekercsveszteségek értékelése
Egy induktor mag- és rézveszteségeinek értékelése meglehetősen összetett. A magveszteség általában több tényezőtől függ, mint például az áramlökés értéke, a kapcsolási frekvencia, a mag anyaga, a mag paraméterei és a magszellőző részek. Az áramkör áramlökése és kapcsolási frekvenciája alkalmazásfüggő, míg a mag anyaga, paraméterei és a magszellőző részek az induktortól függenek.
A magveszteség értékelésének leggyakoribb egyenlete a Steinmetz-egyenlet:
Ahol:
Pvc = A mag egységnyi térfogatra eső teljesítményvesztesége
K, x, y = A mag anyagára jellemző konstansok
f = Kapcsolási frekvencia
B = Mágneses fluxussűrűség
Ez az egyenlet azt mutatja, hogy a magveszteség (vasveszteség) függ a frekvenciától (f) és a mágneses fluxussűrűségtől (B). Mivel a mágneses fluxussűrűség a hullámzó áramtól függ, mindkettő alkalmazáson alapuló változó. A magveszteség kapcsolatban áll magával az induktív tekercseléssel is, mivel a mag anyaga határozza meg a K, x és y konstansokat. Továbbá, a mágneses fluxussűrűséget együttesen határozza meg a hatékony magkeresztmetszet (Ae) és a menetszám (N). Ezért a magveszteség függ az alkalmazástól és az induktor adott tervezésétől egyaránt.
Ezzel szemben a DC rézveszteség kiszámítása viszonylag egyszerű:
Ahol:
Pdc = DC teljesítményveszteség (W)
Idc_rms = Az induktor effektív árama (A)
DCR = Az induktor tekercselésének ohmos ellenállása (Ω)
Az AC rézveszteség értékelése összetettebb, mivel az AC-ellenállás növekedése miatt nő a veszteség, amelyet a bőrható és a közelségi hatás okoz magas frekvenciákon. Egy ESR (ekvivalens soros ellenállás) vagy ACR (AC-ellenállás) görbe mutathatja az ellenállás növekedését magasabb frekvenciákon. Ezek a görbék azonban általában nagyon alacsony áramerősségnél vannak mérve, így nem tartalmazzák az önáramlásból származó vasmágneses veszteségeket, ami gyakori félreértés forrása.
Például vegyük figyelembe az ESR és frekvencia görbét az 1. ábrán.
1. ábra. ESR és frekvencia
E szerint a grafikon szerint az ESR nagyon magas 1 MHz felett. Ennek az induktornak a használata ezen a frekvencián túl látszólag nagyon magas rézveszteséget eredményezne, így alkalmatlanná tenné. Valós körülmények között azonban az induktor tényleges vesztesége lényegesen alacsonyabb, mint amit ez a görbe mutat.
Vegyünk egy példát:
Tegyük fel, hogy egy konverter kimenete 5 V, 0,4 A (2,0 W), és kapcsolási frekvenciája 200 kHz. Egy 10 µH Codaca az induktor kiválasztásra kerül, és tipikus ESR vs. Frekvencia kapcsolata az 1. ábrán látható. A 200 kHz-es működési frekvencián az ESR körülbelül 0,8 Ω.
Egy buck-átalakító esetén az átlagos induktoráram megegyezik a 0,4 A-es terhelőárammal. Az induktor veszteségét így számíthatjuk ki:
6,0% = 0,128 W / (2,0 W + 0,128 W) (az induktor a bemeneti teljesítmény 6%-át fogyasztaná)
Ha azonban ugyanezt az átalakítót 4 MHz-en üzemeltetjük, az ESR-görbe alapján láthatjuk, hogy az R körülbelül 11 Ω. Az induktor teljesítményvesztesége ekkor:
46,8% = 1,76 W / (2,0 W + 1,76 W) (az induktor a bemeneti teljesítmény 46,8%-át fogyasztaná)
E számítás alapján úgy tűnik, hogy ezt az induktort nem szabadna e frekvencián vagy felette használni.
A gyakorlatban az átalakító hatásfoka sokkal jobb, mint amit az ESR-frekvencia görbe alapján számolni lehet. Ennek oka a következő:
A 2. ábra egy folyamatos vezetési módú buck-átalakító leegyszerűsített áramhullámformáját mutatja, kis hullámosságú árammal.
2. ábra. Egyszerűsített Buck-átalakító áramhullámforma
Feltételezve, hogy az Ip-p (csúcs-csúcs irányú hullámáram) körülbelül 10% a közepes áramerősséghez képest:
I_dc = 0,4 A
I_p-p = 0,04 A
Az induktor veszteségének pontos értékeléséhez fel kell osztani alacsonyfrekvenciás veszteségre (DC-veszteség) és magasfrekvenciás veszteségre.
Az alacsonyfrekvenciás ellenállás (ami gyakorlatilag a DCR) közelítőleg 0,7 Ω a grafikon alapján. Az áram a terhelési áram effektív értéke plusz a hullámáram. Mivel a hullámáram kicsi, az eredő áram közelítőleg megegyezik a DC terhelési árammal.
A magasfrekvenciás veszteségnél ez azt jelenti 
, R az ESR (200 kHz), ahol I csupán a hullámáram effektív (rms) értéke:
200 kHz-en az AC veszteség:
Ezért 200 kHz-en a teljes becsült induktorkiesés 0,112 W + 0,000106 W = 0,112106 W.
A becsült veszteség 200 kHz-en csak csekély mértékben magasabb (kevesebb, mint 1%) a DCR-alapú becslésnél.
Most számoljuk ki a veszteséget 4 MHz-en. A alacsony frekvenciás veszteség ugyanaz marad, 0,112 W.
Az áramköri veszteség kiszámításához a 4 MHz-es ESR-t kell használni, amelyet korábban 11 Ω-nak becsültünk:
Ezért az induktor teljes vesztesége 4 MHz-en 0,112 W + 0,00147 W = 0,11347 W.
Ez sokkal jellemzőbb. A becsült veszteség mindössze körülbelül 1,3%-kal magasabb, mint a DCR-veszteség, ami messze alatta van a korábban becsült 1,76 W-nak. Továbbá nem ugyanazt az induktivitás-értéket használnák 4 MHz-en, mint 200 kHz-en; kisebb induktivitásértéket alkalmaznának, és ennek a kisebb induktornak a DCR-je is alacsonyabb lenne.
2. Magas hatásfokú induktor tervezése
Folyamatos áramüzemű konvertereknél, ahol az áramlökés kicsi a terhelőáramhoz képest, a DCR és az ESR kombinációjának felhasználásával kell elvégezni a reális veszteségszámítást. Emellett az ESR-görbe alapján számított veszteség nem tartalmazza a vasmagos veszteséget. Egy tekercs hatásfoka a réz- és vasmagos veszteségek összegétől függ. A Codaca a tekercsek hatásfokának optimalizálására alacsony veszteségű anyagok kiválasztásával és a teljes veszteség minimalizálására irányuló tervezéssel törekszik. A lapos huzaltekercselés alkalmazása adott méret mellett a legalacsonyabb DCR-t biztosítja, csökkentve ezzel a rézveszteséget. A fejlett maganyagok csökkentik a magveszteséget magas frekvenciákon, így növelik a tekercs általános hatásfokát.
Például: A Codaca CSEG sorozatú formázott teljesítménytekercselése magas frekvenciás, nagy csúcsáramú alkalmazásokra van optimalizálva. Ezek a tekercsek lágy telítődési jellemzőkkel rendelkeznek, miközben a legalacsonyabb váltakozóáramú veszteséget és alacsonyabb DCR-t kínálják 200 kHz-es és annál magasabb frekvenciákon.
3. ábra a 3,8/3,3 µH induktivitású tekercsek induktivitás-áram jelleggörbéit mutatja a CSBX , CSEC , és CSEB sorozatból. A CSBX, CSEC és CSEB sorozat nyilvánvalóan a legjobb választás az induktivitás megtartásához 12 A vagy nagyobb áramoknál.
1. táblázat. A CSBX, CSEC és CSEB sorozatú tekercsek DCR és Isat értékeinek összehasonlítása.
Amikor a tekercsek váltakozó áramú veszteségét és teljes veszteségét hasonlítjuk össze 200 kHz-es frekvencián, akkor a CSEB sorozat, innovatív felépítésének köszönhetően, amely minden korábbi konstrukciót felülmúl, eléri a legalacsonyabb egyenáramú és váltakozó áramú veszteségeket. Ez a CSEB sorozatot ideális választássá teszi olyan nagyfrekvenciás teljesítményátalakító alkalmazásokhoz, amelyeknek magas csúcsáramokat kell elviselniük, miközben a lehető legalacsonyabb egyen- és váltakozóáramú veszteséget igénylik.
3. ábra. A telítődési áram és a hőmérséklet-emelkedési áram görbék összehasonlítása 3,8/3,3 μH induktivitású tekercseknél a CSBX, CSEC és CSEB sorozatban.
4. ábra. Az AC veszteség és teljes veszteség összehasonlítása 200 kHz-en a CSBX, CSEC és CSEB sorozatok esetén.
3. Induktor gyors kiválasztási eszköz
A mérnökök számára az induktor kiválasztási folyamat felgyorsítása érdekében a Codaca olyan kiválasztó eszközöket fejlesztett ki, amelyek minden lehetséges alkalmazási körülmény esetén képesek kiszámítani a veszteségeket a mért mag- és tekercsadatok alapján. Ezeknek az eszközöknek az eredményei magukban foglalják az áramfüggő és frekvenciafüggő mag- és tekercsveszteségeket, így nincs szükség az induktor saját tervezési információinak (például a mag anyagának, az Ae-nek és a menetek számának) lekérésére vagy a manuális számítások elvégzésére.
A Codaca kiválasztó eszközei a működési feltételek, például a bemeneti/kimeneti feszültség, a kapcsolási frekvencia, az átlagos áram és a lüktetőáram alapján számítják ki a szükséges induktivitásértéket. Ha ezeket az információkat beírja a Teljesítményinduktor-keresőnkbe, szűrheti azokat az induktorokat, amelyek megfelelnek ezeknek a követelményeknek, felsorolva az egyes induktorok induktivitását, DCR-jét, telítési áramát, hőmérséklet-emelkedési áramát, üzemi hőmérsékletét és egyéb adatait.
Ha már ismeri az alkalmazásához szükséges induktivitást és áramerősséget, akkor ezeket az információkat közvetlenül beírhatja a Teljesítményinduktor kereső az eredmények megjelenítik az egyes induktorok mag- és tekercsveszteségeit, valamint a telítési áram névleges értékét, így ellenőrizheti, hogy az induktor az alkalmazás csúcsáram-körülményei között is a tervezési specifikációk közelében marad-e.
Az eszközök felhasználhatók az induktancia és a jelenlegi viselkedés összehasonlítására is, hogy összehasonlítsák a különböző induktortípusok különbségét és előnyeit. Kezdhetjük azzal, hogy a teljes veszteségek szerint rendezzük a eredményeket. Az összes induktor információ (legfeljebb négy típus) egyetlen táblázatba helyezése és sorolása segít ebben az elemzésben, lehetővé téve a leghatékonyabb induktor kiválasztását.
A teljes veszteség kiszámítása bonyolult lehet, de ezek a számítások beépülnek a Codaca kiválasztási eszközeibe, így a kiválasztás, összehasonlítás és elemzés a lehető legegyszerűbb, így hatékonyabban választhat egy nagyhatékonysági induktor.
【Hivatkozások】:
Codaca honlap: DC/DC átalakító induktor kiválasztása - Shenzhen Codaca Electronics Co., Ltd. (codaca.com)
Codaca honlap: Teljesítményinduktor kereső - Shenzhen Codaca Electronics Co., Ltd. (codaca.com)
Codaca honlap: Teljesítményinduktor veszteség összehasonlítása - Shenzhen Codaca Electronics Co., Ltd. (codaca.com)