EN
SNELLE LINKS
In hoogfrequente gelijkstroom-omzetters filtert een spoel de rimpelstroom die bovenop de gelijkstroomuitgang staat. Of de omzetter een buck-, boost- of buck-boost-topologie heeft, de spoel vlakt de rimpel af om een stabiele gelijkstroomuitgang te leveren. De efficiëntie van een spoel is het hoogst wanneer de gecombineerde ijzer- en koperverliezen minimaal zijn. Om de hoogste efficiëntie te bereiken, dat wil zeggen de laagste verliezen, door een geschikte component te kiezen voor het gladstrijken van de rimpelstroom, is het cruciaal ervoor te zorgen dat de kern van de spoel niet verzadigd raakt en de wikkeling niet oververhit raakt wanneer de bedrijfsstroom erdoorheen loopt. In dit artikel wordt uitgelegd hoe spoelverliezen kunnen worden beoordeeld en worden methoden gepresenteerd voor het ontwerpen en snel selecteren van hoogrendementsspoelen.
1. Beoordeling van spoelverliezen
Het evalueren van de kernen koperverliezen van een spoel is vrij complex. Kernverlies hangt meestal af van diverse factoren, zoals de rimpelstroomwaarde, schakelfrequentie, kernmateriaal, kernparameters en de luchtspleten in de kern. De rimpelstroom en schakelfrequentie van de schakeling zijn afhankelijk van de toepassing, terwijl het kernmateriaal, de parameters en de luchtspleten afhankelijk zijn van de spoel.
De meest gebruikte vergelijking voor het evalueren van kernverlies is de Steinmetz-vergelijking:
Waarbij:
Pvc = Vermogensverlies per eenheidsvolume van de kern
K, x, y = Constanten van het kernmateriaal
f = Schakelfrequentie
B = Magnetische fluxdichtheid
Deze vergelijking laat zien dat kernverlies (ijzerverlies) afhankelijk is van de frequentie (f) en de magnetische fluxdichtheid (B). Aangezien de magnetische fluxdichtheid afhangt van de rimpelstroom, zijn beide variabelen die afhankelijk zijn van de toepassing. Kernverlies hangt ook af van de spoel zelf, omdat het kernmateriaal de constanten K, x en y bepaalt. Bovendien wordt de magnetische fluxdichtheid gezamenlijk bepaald door het effectieve kernoppervlak (Ae) en het aantal windingen (N). Daarom is het kernverlies zowel afhankelijk van de toepassing als van het specifieke ontwerp van de spoel.
In tegenstelling tot kernverlies is het berekenen van DC-koperverlies relatief eenvoudig:
Waarbij:
Pdc = DC-vermogensverlies (W)
Idc_rms = RMS-stroom van de spoel (A)
DCR = DC-weerstand van de spoelwikkeling (Ω)
Het evalueren van AC-koperverliezen is complexer, omdat deze toenemen door de hogere AC-weerstand veroorzaakt door het huid- en nabijheidseffect bij hoge frequenties. Een ESR (equivalente serie-weerstand) of ACR (AC-weerstand) curve kan een zekere toename van weerstand bij hogere frequenties tonen. Deze curves worden echter meestal gemeten bij zeer lage stroomniveaus en bevatten daarom niet de ijzerverliezen als gevolg van de rimpelstroom, wat vaak wordt verkeerd begrepen.
Bijvoorbeeld, bekijk de ESR versus Frequentie curve in Figuur 1.
Figuur 1. ESR versus Frequentie
Volgens deze grafiek is de ESR boven 1 MHz zeer hoog. Het gebruik van deze spoel boven deze frequentie lijkt dan ook te leiden tot zeer hoge koperverliezen, waardoor het een ongeschikte keuze lijkt. In een praktische toepassing is het daadwerkelijke verlies van de spoel echter veel lager dan wat deze curve suggereert.
Bekijk het volgende voorbeeld:
Stel dat een converter een uitgang heeft van 5 V bij 0,4 A (2,0 W) en een schakelfrequentie van 200 kHz. Een 10 µH Codaca inductor is geselecteerd, met de typische relatie tussen ESR en frequentie zoals weergegeven in figuur 1. Bij de werkfrequentie van 200 kHz bedraagt de ESR ongeveer 0,8 Ω.
Voor een afwandelende converter (buck converter) is de gemiddelde stroom door de spoel gelijk aan de belastingsstroom van 0,4 A. We kunnen het verlies in de spoel berekenen als:
6,0% = 0,128 W / (2,0 W + 0,128 W) (De spoel zou 6% van het ingangvermogen verbruiken)
Als we echter dezelfde converter bij 4 MHz laten werken, blijkt uit de ESR-curve dat R ongeveer 11 Ω is. Het vermogensverlies in de spoel zou dan zijn:
46,8% = 1,76 W / (2,0 W + 1,76 W) (De spoel zou 46,8% van het ingangvermogen verbruiken)
Op basis van deze berekening lijkt het erop dat deze spoel niet op of boven deze frequentie gebruikt zou mogen worden.
In de praktijk is de efficiëntie van de converter veel beter dan wat wordt berekend aan de hand van de ESR-frequentiecurve. Dit is de reden waarom:
Figuur 2 toont een vereenvoudigd stroomgolfvorm voor een afwandelende converter (buck converter) in continue geleidingsmodus met een kleine rimpelstroom.
Figuur 2. Vereenvoudigde stroomgolfvorm van een afwikkelende gelijkrichter
Aannemend dat de Ip-p (piek-tot-piek rimpelstroom) ongeveer 10% van de gemiddelde stroom is:
I_dc = 0,4 A
I_p-p = 0,04 A
Om de verliezen in de spoel nauwkeurig te beoordelen, moeten deze worden gesplitst in laagfrequente verliezen (DC-verliezen) en hoogfrequente verliezen.
De laagfrequente weerstand (die effectief de DCR is) bedraagt ongeveer 0,7 Ω volgens de grafiek. De stroom is de effenwaarde (RMS) van de belastingsstroom plus de rimpelstroom. Aangezien de rimpelstroom klein is, is de effectieve stroom bij benadering gelijk aan de DC-belastingsstroom.
Voor de hoogfrequente verliezen geldt dit 
, R is de ESR (200 kHz), waarbij I uitsluitend de wortel uit het gemiddelde kwadraat (rms) van de rimpelstroom is:
Bij 200 kHz zijn de AC-verliezen:
Daarom bedraagt het totale voorspelde verlies in de spoel bij 200 kHz 0,112 W + 0,000106 W = 0,112106 W.
Het voorspelde verlies bij 200 kHz is slechts iets hoger (minder dan 1%) dan het op basis van DCR voorspelde verlies.
Laten we nu het verlies bij 4 MHz berekenen. Het laagfrequentieverlies blijft hetzelfde op 0,112 W.
Bij de AC-verliesberekening moet gebruik worden gemaakt van de ESR bij 4 MHz, die we eerder hebben geschat op 11Ω:
Daarom is het totale inductorverlies bij 4 MHz 0,112 W + 0,00147 W = 0,11347 W.
Dit is veelzeggender. Het voorspelde verlies is slechts ongeveer 1,3% hoger dan het DCR-verlies, wat ver onder de eerder voorspelde 1,76 W ligt. Bovendien zou men bij 4 MHz niet dezelfde inductiewaarde gebruiken als bij 200 kHz; er zou een kleinere inductiewaarde worden gebruikt, en de DCR van die kleinere spoel zou ook lager zijn.
2. Ontwerp van hoogrendementsspoelen
Voor gelijkstroommodusconverters waar de rimpelstroom klein is ten opzichte van de belastingsstroom, moet een realistische verliesberekening worden uitgevoerd met behulp van een combinatie van DCR en ESR. Bovendien omvat het uit de ESR-curve berekende verlies geen ijzeren verliezen. De efficiëntie van een spoel wordt bepaald door de som van de koper- en ijzerverliezen. Codaca optimaliseert de efficiëntie van spoelen door laagverliesmateriaalen te selecteren en spoelen te ontwerpen voor minimaal totaalverlies. Het gebruik van platte draadwikkelingen zorgt voor de laagste DCR binnen een bepaalde afmeting, waardoor koperverlies wordt verminderd. Verbeterde kernmaterialen verlagen het kernverlies bij hoge frequenties, wat de algehele efficiëntie van de spoel verhoogt.
Bijvoorbeeld, De CSEG-serie geperste stroomspoelen van Codaca is geoptimaliseerd voor toepassingen met hoge frequentie en hoge piekstromen. Deze spoelen beschikken over zachte verzadigingseigenschappen en bieden het laagste AC-verlies en een lagere DCR bij frequenties van 200 kHz en hoger.
Figuur 3 toont de inductantie versus stroomkarakteristieken voor 3,8/3,3 µH-inductoren uit de CSBX , CSEC , en CSEB serie. De CSBX-, CSEC- en CSEB-serie zijn duidelijk de beste keuzes om de inductantie te behouden bij stromen van 12 A of hoger.
Tabel 1. Vergelijking van DCR en Isat voor CSBX, CSEC en CSEB.
Bij vergelijking van de AC-verliezen en totale verliezen van de inductoren bij 200 kHz, bereikt de CSEB-serie, dankzij haar innovatieve structuur die alle eerdere ontwerpen overtreft, de laagste DC- en AC-verliezen. Dit maakt de CSEB-serie de optimale keuze voor hoogfrequente voedingconverters die hoge piekstromen moeten weerstaan en tegelijkertijd de laagst mogelijke DC- en AC-verliezen vereisen.
Figuur 3. Vergelijking van verzadigingsstroom en temperatuurstijging stroomkrommen voor 3,8/3,3 μH-inductoren in de CSBX-, CSEC- en CSEB-serie.
Figuur 4. Vergelijking van AC-verlies en totaal verlies bij 200 kHz voor de CSBX-, CSEC- en CSEB-serie.
3. Snelkeuzegereedschap voor inductoren
Om het inductorkiesproces voor ingenieurs te versnellen, heeft Codaca selectiegereedschappen ontwikkeld die verliezen kunnen berekenen op basis van gemeten kern- en wikkelingsgegevens voor elke mogelijke toepassingsomstandigheid. De resultaten van deze gereedschappen omvatten stroomafhankelijke en frequentieafhankelijke kernen wikkelingsverliezen, waardoor niet langer behoefte is om vertrouwelijke inductordesigninformatie (zoals kernmateriaal, Ae en aantal windingen) aan te vragen of handmatige berekeningen uit te voeren.
De Codaca-selectiegereedschappen berekenen de vereiste inductiewaarde op basis van bedrijfsomstandigheden zoals ingang/uitgangsspanning, schakelfrequentie, gemiddelde stroom en rimpelstroom. Door deze gegevens in onze Power Inductor Finder in te voeren, kunt u filteren op inductoren die aan deze eisen voldoen, waarbij de inductie, DCR, verzadigingsstroom, temperatuurstijgstromen, bedrijfstemperatuur en andere informatie per inductor worden weergegeven.
Als u de vereiste inductantie en stroom al kent voor uw toepassing, kunt u deze gegevens direct invoeren in de Power Inductor Finder de resultaten tonen de kern- en wikkelingsverliezen en de stroomwaarde bij verzadiging voor elke spoel, zodat u kunt controleren of de spoel dicht bij zijn ontwerpspecificaties blijft onder de maximale stroomomstandigheden van de toepassing.
De tools kunnen ook worden gebruikt om het verloop van inductantie tegen stroom te plotten, zodat u de verschillen en voordelen van diverse soorten spoelen kunt vergelijken. U kunt beginnen met het sorteren van de resultaten op totaal verlies. Het plaatsen van alle informatie over spoelen (tot vier typen) op één grafiek en het sorteren ervan ondersteunt deze analyse, waardoor u de meest efficiënte spoel kunt selecteren.
Het berekenen van het totale verlies kan complex zijn, maar deze berekeningen zijn ingebouwd in de selectietools van Codaca, waardoor de selectie, vergelijking en analyse zo eenvoudig mogelijk worden gemaakt, zodat u efficiënter een hoogrendement-spoel kunt kiezen.
【Referenties】:
Codaca Website: Keuze van de gelijkstroom-gelijkstroomomvormer spoel - Shenzhen Codaca Electronics Co., Ltd. (codaca.com)
Codaca Website: Zoekfunctie voor vermogensspoelen - Shenzhen Codaca Electronics Co., Ltd. (codaca.com)
Codaca Website: Vergelijking van verliezen bij vermogensspoelen - Shenzhen Codaca Electronics Co., Ltd. (codaca.com)