Como Selecionar com Eficiência Indutores de Alta Eficiência em Conversores CC-CC

Em conversores CC-CC de alta frequência, um indutor filtra a corrente de ondulação superposta à saída contínua. Independentemente de o conversor ter uma topologia abaixadora (buck), elevadora (boost) ou abaixadora-elevadora (buck-boost), o indutor suaviza a ondulação para fornecer uma saída contínua estável. A eficiência de um indutor é máxima quando as perdas combinadas de ferro e cobre estão no seu mínimo. Para alcançar a mais alta eficiência — ou seja, as menores perdas — ao selecionar um bom componente para suavizar a corrente de ondulação, é fundamental garantir que o núcleo do indutor não sature e que seu enrolamento não superaqueça quando a corrente de operação passar por ele. Este artigo apresenta como avaliar as perdas no indutor e oferece métodos para projetar e selecionar rapidamente indutores de alta eficiência.

1. Avaliação das Perdas no Indutor

Avaliar as perdas no núcleo e no cobre de um indutor é bastante complexo. As perdas no núcleo normalmente dependem de vários fatores, como o valor da corrente de ondulação, frequência de comutação, material do núcleo, parâmetros do núcleo e os entreferros no núcleo. A corrente de ondulação e a frequência de comutação do circuito dependem da aplicação, enquanto o material, os parâmetros e os entreferros do núcleo dependem do indutor.

A equação mais comum para avaliar as perdas no núcleo é a equação de Steinmetz:

Onde:

Pvc = Perda de potência por unidade de volume do núcleo

K, x, y = Constantes do material do núcleo

f = Frequência de comutação

B = Densidade de fluxo magnético

Esta equação mostra que a perda no núcleo (perda de ferro) depende da frequência (f) e da densidade de fluxo magnético (B). Como a densidade de fluxo magnético depende da corrente de ripple, ambas são variáveis dependentes da aplicação. A perda no núcleo também está relacionada ao próprio indutor, já que o material do núcleo determina as constantes K, x e y. Além disso, a densidade de fluxo magnético é determinada conjuntamente pela área efetiva do núcleo (Ae) e pelo número de espiras (N). Portanto, a perda no núcleo depende tanto da aplicação quanto do projeto específico do indutor.

Em contraste, o cálculo da perda de cobre CC é relativamente simples:

Onde:

Pdc = Perda de potência CC (W)

Idc_rms = Corrente RMS do indutor (A)

DCR = Resistência CC do enrolamento do indutor (Ω)

Avaliar a perda de cobre em CA é mais complexo, pois ela aumenta devido à maior resistência em CA causada pelo efeito pelicular e efeito de proximidade em altas frequências. Uma curva de ESR (Resistência Série Equivalente) ou ACR (Resistência em CA) pode mostrar um certo aumento da resistência em frequências mais elevadas. No entanto, essas curvas são tipicamente medidas em níveis de corrente muito baixos e, portanto, não incluem as perdas no ferro resultantes da corrente de ondulação, o que é um ponto comum de mal-entendido.

Por exemplo, considere a curva de ESR versus Frequência mostrada na Figura 1.

Figura 1. ESR versus Frequência

De acordo com este gráfico, o ESR é muito alto acima de 1 MHz. Utilizar este indutor acima dessa frequência pareceria resultar em perdas de cobre muito altas, tornando-o uma escolha inadequada. Em uma aplicação real, no entanto, a perda real do indutor é muito menor do que o sugerido por esta curva.

Considere o seguinte exemplo:

Suponha que um conversor tenha uma saída de 5V a 0,4A (2,0W) e uma frequência de comutação de 200 kHz. Um indutor de 10µH Codaca o indutor é selecionado, com sua relação típica de ESR versus frequência mostrada na Figura 1. Na frequência de operação de 200 kHz, o ESR é aproximadamente 0,8Ω.

Para um conversor buck, a corrente média no indutor é igual à corrente de carga de 0,4 A. Podemos calcular a perda no indutor como:

6,0% = 0,128W / (2,0W + 0,128W) (O indutor consumiria 6% da potência de entrada)

No entanto, se operarmos o mesmo conversor em 4 MHz, podemos observar a partir da curva de ESR que R é cerca de 11Ω. A perda de potência no indutor seria então:

46,8% = 1,76W / (2,0W + 1,76W) (O indutor consumiria 46,8% da potência de entrada)

Com base neste cálculo, pareceria que este indutor não deveria ser usado nesta frequência ou acima dela.

Na prática, a eficiência do conversor é muito melhor do que a calculada a partir da curva ESR-frequência. Eis o porquê:

A Figura 2 mostra uma forma de onda de corrente simplificada para um conversor buck em modo de condução contínua com uma pequena corrente de ondulação.

Figura 2. Forma de onda de corrente simplificada do conversor Buck

Assumindo que a Ip-p (corrente de ondulação de pico a pico) é cerca de 10% da corrente média:

I_dc = 0,4 A

I_p-p = 0,04 A

Para avaliar com precisão as perdas no indutor, estas devem ser divididas em perdas de baixa frequência (perdas contínuas) e perdas de alta frequência.

A resistência de baixa frequência (que é efetivamente a DCR) é aproximadamente 0,7Ω segundo o gráfico. A corrente é o valor eficaz (RMS) da corrente de carga mais a corrente de ondulação. Como a corrente de ondulação é pequena, a corrente efetiva é aproximadamente igual à corrente contínua de carga.

Para a perda de alta frequência, ou seja , R é a ESR (200 kHz), onde I é apenas o valor eficaz (rms) da corrente de ondulação:

Em 200 kHz, a perda AC é:

Portanto, em 200 kHz, a perda total prevista no indutor é de 0,112 W + 0,000106 W = 0,112106 W.

A perda prevista a 200 kHz é apenas ligeiramente maior (menos de 1%) do que a perda prevista pela DCR.

Agora, vamos calcular a perda a 4 MHz. A perda em baixa frequência permanece a mesma, em 0,112 W.

O cálculo da perda AC deve utilizar a ESR a 4 MHz, que anteriormente estimamos ser de 11Ω:

Portanto, a perda total no indutor a 4 MHz é de 0,112 W + 0,00147 W = 0,11347 W.

Isso é muito mais revelador. A perda prevista é apenas cerca de 1,3% maior do que a perda DCR, o que está muito abaixo dos 1,76 W previstos anteriormente. Além disso, não se usaria o mesmo valor de indutância a 4 MHz que a 200 kHz; um valor de indutância menor seria utilizado, e a DCR desse indutor menor também seria menor.

2. Projeto de Indutor de Alta Eficiência

Para conversores em modo de corrente contínua onde a corrente de ondulação é pequena em relação à corrente de carga, é necessário realizar um cálculo razoável de perdas usando uma combinação de DCR e ESR. Além disso, a perda calculada a partir da curva de ESR não inclui perdas no ferro. A eficiência de um indutor é determinada pela soma das perdas de cobre e de ferro. A Codaca otimiza a eficiência do indutor selecionando materiais de baixa perda e projetando indutores para perda total mínima. O uso de bobinagens com fio plano proporciona o menor DCR dentro de um tamanho determinado, reduzindo as perdas de cobre. Materiais de núcleo aprimorados reduzem as perdas no núcleo em altas frequências, aumentando assim a eficiência geral do indutor.

Por exemplo, A série CSEG da Codaca de indutores moldados de potência é otimizada para aplicações de alta frequência e alta corrente de pico. Esses indutores apresentam características de saturação suave, oferecendo as menores perdas AC e um DCR mais baixo em frequências de 200 kHz e acima.

A Figura 3 mostra as características de indutância versus corrente para indutores de 3,8/3,3 µH da série. CSBX , CSEC , e CSEB as séries CSBX, CSEC e CSEB são claramente as melhores opções para manter a indutância em correntes de 12 A ou superiores.

Tabela 1. Comparação de DCR e Isat para as séries CSBX, CSEC e CSEB.

Ao comparar as perdas AC e as perdas totais dos indutores em 200 kHz, a série CSEB, com sua estrutura inovadora que supera todos os projetos anteriores, alcança as menores perdas DC e AC. Isso torna a série CSEB a escolha ideal para aplicações em conversores de potência de alta frequência que precisam suportar altas correntes de pico, exigindo ao mesmo tempo as menores perdas possíveis em DC e AC.

Figura 3. Comparação das Curvas de Corrente de Saturação e Corrente de Elevação de Temperatura para Indutores de 3,8/3,3μH nas Séries CSBX, CSEC e CSEB.

Figura 4. Comparação de Perda AC e Perda Total em 200 kHz para as Séries CSBX, CSEC e CSEB.

3. Ferramenta de Seleção Rápida de Indutores

Para acelerar o processo de seleção de indutores para engenheiros, a Codaca desenvolveu ferramentas de seleção que podem calcular perdas com base em dados medidos de núcleo e enrolamento para todas as condições possíveis de aplicação. Os resultados dessas ferramentas incluem perdas no núcleo e no enrolamento dependentes da corrente e da frequência, eliminando a necessidade de solicitar informações proprietárias de projeto de indutor (como material do núcleo, Ae e número de espiras) ou realizar cálculos manuais.

As ferramentas de seleção da Codaca calculam o valor de indutância necessário com base em condições operacionais como tensão de entrada/saída, frequência de comutação, corrente média e corrente de ondulação. Ao inserir essas informações no nosso Localizador de Indutores de Potência, você pode filtrar indutores que atendam a esses requisitos, com a indutância de cada indutor, DCR, corrente de saturação, corrente de elevação de temperatura, temperatura de operação e outras informações listadas.

Se você já conhece a indutância e a corrente necessárias para sua aplicação, pode inserir essas informações diretamente no Localizador de Indutores de Potência os resultados exibirão as perdas no núcleo e no enrolamento, bem como a classificação de corrente de saturação para cada indutor, permitindo verificar se o indutor permanecerá próximo às suas especificações de projeto sob as condições de corrente de pico da aplicação.

As ferramentas também podem ser usadas para plotar o comportamento da indutância em função da corrente, a fim de comparar as diferenças e vantagens de vários tipos de indutores. Você pode começar ordenando os resultados por perda total. Colocar todas as informações dos indutores (até quatro tipos) em um único gráfico e ordená-los facilita essa análise, permitindo selecionar o indutor mais eficiente.

O cálculo da perda total pode ser complexo, mas esses cálculos estão integrados nas ferramentas de seleção da Codaca, tornando a seleção, comparação e análise tão simples quanto possível, para que você possa escolher de forma mais eficiente um indutor de potência de alta eficiência.

【Referências】:

Site da Codaca: Seleção de Indutor para Conversor CC/CC - Shenzhen Codaca Electronics Co., Ltd. (codaca.com)

Site da Codaca: Localizador de Indutores de Potência - Shenzhen Codaca Electronics Co., Ltd. (codaca.com)

Site da Codaca: Comparação de Perdas em Indutores de Potência - Shenzhen Codaca Electronics Co., Ltd. (codaca.com)