EN
Быстрые ссылки
В высокочастотных импульсных преобразователях постоянного тока дроссель фильтрует пульсирующий ток, накладывающийся на выходное напряжение постоянного тока. Независимо от того, представляет ли преобразователь понижающую, повышающую или понижающе-повышающую топологию, дроссель сглаживает пульсации для обеспечения стабильного выходного напряжения постоянного тока. Эффективность дросселя максимальна, когда суммарные потери в стали и меди минимальны. Для достижения максимальной эффективности — то есть минимальных потерь — при выборе подходящего компонента для сглаживания пульсирующего тока важно обеспечить, чтобы сердечник дросселя не входил в насыщение, а его обмотка не перегревалась при протекании рабочего тока. В данной статье описывается методика оценки потерь в дросселе, а также представлены методы проектирования и быстрого выбора высокоэффективных дросселей.
1. Оценка потерь в дросселе
Оценка потерь в сердечнике и меди катушки индуктивности является довольно сложной задачей. Потери в сердечнике обычно зависят от нескольких факторов, таких как величина тока пульсаций, частота переключения, материал сердечника, параметры сердечника и зазоры в сердечнике. Ток пульсаций в цепи и частота переключения зависят от конкретного применения, тогда как материал сердечника, его параметры и зазоры определяются самой катушкой индуктивности.
Наиболее распространённым уравнением для оценки потерь в сердечнике является уравнение Штейнмеца:
Где:
Pvc = потери мощности на единицу объёма сердечника
K, x, y = константы материала сердечника
f = частота переключения
B = плотность магнитного потока
Это уравнение показывает, что потери в сердечнике (потери в стали) зависят от частоты (f) и плотности магнитного потока (B). Поскольку плотность магнитного потока зависит от тока пульсаций, оба параметра являются переменными, зависящими от конкретного применения. Потери в сердечнике также связаны с самим дросселем, поскольку материал сердечника определяет константы K, x и y. Кроме того, плотность магнитного потока одновременно определяется эффективной площадью сердечника (Ae) и числом витков (N). Следовательно, потери в сердечнике зависят как от области применения, так и от конкретной конструкции дросселя.
Напротив, расчет потерь меди от постоянного тока является относительно простым:
Где:
Pdc = потери мощности постоянного тока (Вт)
Idc_rms = среднеквадратичный ток дросселя (А)
DCR = сопротивление обмотки дросселя постоянному току (Ом)
Оценка потерь в меди переменного тока является более сложной, поскольку они возрастают из-за увеличения сопротивления переменному току вследствие скин-эффекта и эффекта близости на высоких частотах. Кривая ESR (эквивалентное последовательное сопротивление) или ACR (сопротивление переменному току) может показывать некоторый рост сопротивления на более высоких частотах. Однако эти кривые обычно измеряются при очень низких уровнях тока и, таким образом, не включают потери в стали, обусловленные пульсациями тока, что часто вызывает недопонимание.
Например, рассмотрим кривую зависимости ESR от частоты, показанную на рисунке 1.
Рисунок 1. Зависимость ESR от частоты
Согласно этому графику, значение ESR очень велико выше 1 МГц. Использование этого дросселя на таких частотах, по всей видимости, приведёт к очень большим потерям в меди, что делает его неподходящим выбором. Однако в реальных условиях эксплуатации фактические потери дросселя значительно ниже, чем следует из этой кривой.
Рассмотрим следующий пример:
Предположим, преобразователь имеет выход 5 В при токе 0,4 А (2,0 Вт) и рабочую частоту переключения 200 кГц. Индуктивность 10 мкГн Codaca выбран дроссель с типичной зависимостью ЭПС от частоты, показанной на рисунке 1. На рабочей частоте 200 кГц ЭПС составляет приблизительно 0,8 Ом.
Для понижающего преобразователя средний ток дросселя равен току нагрузки 0,4 А. Мы можем рассчитать потери в дросселе следующим образом:
6,0% = 0,128 Вт / (2,0 Вт + 0,128 Вт) (дроссель потребляет 6% входной мощности)
Однако, если мы будем работать на той же частоте преобразователя 4 МГц, можно увидеть из кривой ЭПС, что R составляет около 11 Ом. Потери мощности в дросселе тогда будут равны:
46,8% = 1,76 Вт / (2,0 Вт + 1,76 Вт) (дроссель потребляет 46,8% входной мощности)
Исходя из этого расчета, кажется, что этот дроссель не следует использовать на этой или более высокой частоте.
На практике КПД преобразователя намного выше, чем рассчитанный по кривой зависимости ЭПС от частоты. Вот почему:
Рисунок 2 показывает упрощенную форму тока понижающего преобразователя в режиме непрерывного тока с небольшим пульсирующим током.
Рисунок 2. Упрощённая форма тока импульсного понижающего преобразователя
Предположим, что Ip-p (ток пульсаций от пика до пика) составляет около 10 % от среднего тока:
I_dc = 0,4 А
I_p-p = 0,04 А
Для точной оценки потерь в дросселе их необходимо разделить на потери низкой частоты (потери постоянного тока) и потери высокой частоты.
Сопротивление на низких частотах (по сути, это DCR) приблизительно равно 0,7 Ом согласно графику. Ток представляет собой среднеквадратичное значение тока нагрузки плюс ток пульсаций. Поскольку ток пульсаций мал, эффективный ток приблизительно равен току постоянной нагрузки.
Для потерь на высокой частоте это означает 
, R — это эквивалентное последовательное сопротивление (ESR) на частоте 200 кГц, где I — это только среднеквадратичное значение тока пульсаций:
На частоте 200 кГц потери переменного тока составляют:
Таким образом, на частоте 200 кГц общие прогнозируемые потери в дросселе составляют 0,112 Вт + 0,000106 Вт = 0,112106 Вт.
Прогнозируемые потери на частоте 200 кГц лишь незначительно превышают потери, обусловленные активным сопротивлением (менее чем на 1%).
Теперь рассчитаем потери на частоте 4 МГц. Потери на низкой частоте остаются прежними и составляют 0,112 Вт.
Для расчета переменных потерь необходимо использовать эквивалентное последовательное сопротивление (ESR) на частоте 4 МГц, которое мы ранее оценили как 11 Ом:
Следовательно, общие потери в дросселе на частоте 4 МГц составляют 0,112 Вт + 0,00147 Вт = 0,11347 Вт.
Этот результат гораздо показательнее. Прогнозируемые потери всего на 1,3 % выше потерь от активного сопротивления, что значительно ниже ранее предсказанных 1,76 Вт. Более того, индуктивность, используемую на частоте 4 МГц, обычно выбирают меньшего номинала, чем на 200 кГц; при этом активное сопротивление такого меньшего дросселя также будет ниже.
2. Проектирование высокоэффективного дросселя
Для преобразователей в режиме непрерывного тока, где пульсации тока малы по сравнению с током нагрузки, необходимо проводить обоснованный расчет потерь с использованием комбинации DCR и ESR. Кроме того, потери, рассчитанные по кривой ESR, не включают в себя потери в стали. Эффективность катушки индуктивности определяется суммой её медных и магнитных потерь. Codaca оптимизирует эффективность катушек индуктивности, выбирая материалы с низкими потерями и разрабатывая катушки для минимальных общих потерь. Использование плоских обмоточных проводов обеспечивает наименьшее значение DCR в заданном габарите, снижая медные потери. Улучшенные материалы сердечников уменьшают потери в сердечнике на высоких частотах, тем самым повышая общую эффективность катушки индуктивности.
Например, Серия CSEG от Codaca — литые силовые дроссели оптимизирована для применения в высокочастотных устройствах с высокими пиковыми токами. Эти катушки индуктивности обладают мягкими характеристиками насыщения и обеспечивают наименьшие переменные потери и более низкое значение DCR на частотах 200 кГц и выше.
На рисунке 3 показаны характеристики индуктивности в зависимости от тока для катушек индуктивности 3,8/3,3 мкГн из серии CSBX , CSEC , и CSEB серии. Серии CSBX, CSEC и CSEB являются явно наилучшим выбором для поддержания индуктивности при токах 12 А и выше.
Таблица 1. Сравнение DCR и Isat для серий CSBX, CSEC и CSEB.
При сравнении потерь переменного тока и общих потерь катушек индуктивности на частоте 200 кГц, серия CSEB благодаря своей инновационной конструкции, превосходящей все предыдущие разработки, обеспечивает самые низкие потери постоянного и переменного тока. Это делает серию CSEB оптимальным выбором для применений в высокочастотных преобразователях энергии, которые должны выдерживать высокие импульсные токи и требуют минимально возможных потерь постоянного и переменного тока.
Рисунок 3. Сравнение кривых тока насыщения и тока нагрева по температуре для катушек индуктивности 3,8/3,3 мкГн в сериях CSBX, CSEC и CSEB.
Рисунок 4. Сравнение потерь переменного тока и общих потерь на частоте 200 кГц для серий CSBX, CSEC и CSEB.
3. Быстрый инструмент выбора катушек индуктивности
Чтобы ускорить процесс выбора дросселей для инженеров, компания Codaca разработала инструменты подбора, которые могут рассчитывать потери на основе измеренных данных сердечника и обмотки для всех возможных условий эксплуатации. Результаты этих инструментов включают зависящие от тока и частоты потери в сердечнике и обмотке, что устраняет необходимость запрашивать конфиденциальную информацию о конструкции дросселя (например, материал сердечника, Ae и количество витков) или выполнять ручные расчеты.
Инструменты подбора Codaca рассчитывают требуемое значение индуктивности на основе рабочих условий, таких как входное/выходное напряжение, частота переключения, средний ток и ток пульсаций. Введя эту информацию в наш поиск силовых дросселей, вы можете отфильтровать дроссели, соответствующие этим требованиям, при этом для каждого дросселя указываются индуктивность, DCR, ток насыщения, ток нагрева, рабочая температура и другая информация.
Если вы уже знаете требуемую индуктивность и ток для вашего применения, вы можете ввести эту информацию непосредственно в Поисковик силовых дросселей результаты покажут потери в сердечнике и обмотке, а также номинальный ток насыщения для каждого дросселя, что позволит вам проверить, будет ли дроссель сохранять параметры, близкие к проектным, при пиковых токах в условиях эксплуатации.
Инструменты также можно использовать для построения зависимости индуктивности от тока, чтобы сравнить различия и преимущества различных типов дросселей. Вы можете начать с сортировки результатов по суммарным потерям. Размещение всей информации о дросселях (до четырёх типов) на одном графике и их сортировка упрощают такой анализ и помогают выбрать наиболее эффективный дроссель.
Расчёт суммарных потерь может быть сложным, но эти вычисления встроены в инструменты выбора Codaca, что делает процесс выбора, сравнения и анализа максимально простым, позволяя эффективнее подобрать высокопроизводительный силовой дроссель.
【Ссылки】:
Сайт Codaca: Выбор индуктивности преобразователя постоянного тока — Shenzhen Codaca Electronics Co., Ltd. (codaca.com)
Сайт Codaca: Поиск силового индуктора — Shenzhen Codaca Electronics Co., Ltd. (codaca.com)
Сайт Codaca: Сравнение потерь силового индуктора — Shenzhen Codaca Electronics Co., Ltd. (codaca.com)