Hur man effektivt väljer högeffektiva effektinduktorer i DC-DC-omvandlare

I högfrekventa DC-DC-omvandlare filtrerar en induktor brusströmmen som är överlagrad på likströmsutgången. Oavsett om omvandlaren har en buck-, boost- eller buck-boost-topologi, jämnar induktorn ut bruset för att ge en stabil likspänningsutgång. En induktors verkningsgrad är högst när de kombinerade järn- och kopparförlusterna är minsta möjliga. För att uppnå högsta verkningsgrad – det vill säga lägsta förlust – genom att välja en bra komponent för att jämna ut brusströmmen, är det avgörande att säkerställa att induktorns kärna inte mättas och att lindningen inte överhettas när driftströmmen passerar igenom. Denna artikel introducerar hur man utvärderar induktorförluster och presenterar metoder för att designa och snabbt välja effektiva induktorer.

1. Utvärdering av induktorförluster

Att utvärdera en induktors kärnförluster och kopparförluster är ganska komplext. Kärnförlust beror vanligtvis på flera faktorer, såsom värde på växelströmmen, switchfrekvens, kärnmaterial, kärnparametrar och luftgapen i kärnan. Växelströmmen och switchfrekvensen i kretsen är beroende av tillämpningen, medan kärnmaterial, parametrar och luftgap är beroende av induktorn.

Den vanligaste ekvationen för att utvärdera kärnförlust är Steinmetz ekvation:

Där:

Pvc = Effektförlust per volymenhet av kärnan

K, x, y = Konstanter för kärnmaterial

f = Switchfrekvens

B = Magnetisk flödestäthet

Denna ekvation visar att kärnförlust (järnförlust) beror på frekvens (f) och magnetisk flödestäthet (B). Eftersom magnetisk flödestäthet beror på brusströmmen är båda variabler som är beroende av tillämpningen. Kärnförlust är också relaterad till induktorn själv, eftersom kärnmaterial bestämmer konstanterna K, x och y. Dessutom bestäms magnetisk flödestäthet gemensamt av den effektiva kärnarean (Ae) och antalet varv (N). Därför beror kärnförlust både på tillämpningen och induktorns specifika design.

Å andra sidan är beräkning av likströmskopparförlust relativt enkel:

Där:

Pdc = Förlust i likström (W)

Idc_rms = Effektivvärdet av strömmen genom induktorn (A)

DCR = Likströmsresistans i induktorns lindning (Ω)

Att utvärdera växelströmskopparförlust är mer komplext, eftersom den ökar på grund av högre växelströmsresistans orsakad av skinneffekten och närheteffekten vid höga frekvenser. En ESR (ekvivalent seriemotstånd) eller ACR (växelströmsmotstånd)-kurva kan visa en viss ökning av resistansen vid högre frekvenser. Dessa kurvor mäts dock oftast vid mycket låga strömnivåer och inkluderar därför inte järnförlusterna som orsakas av brusströmmen, vilket är en vanlig missuppfattning.

Till exempel, betrakta ESR-mot-frekvens-kurvan som visas i figur 1.

Figur 1. ESR mot frekvens

Enligt denna graf är ESR mycket hög ovanför 1 MHz. Att använda denna induktor ovan denna frekvens verkar leda till mycket höga kopparförluster, vilket gör den till ett olämpligt val. I praktiken är dock induktorns faktiska förlust mycket lägre än vad denna kurva antyder.

Betrakta följande exempel:

Anta att en omvandlare har en output på 5 V vid 0,4 A (2,0 W) och en switchfrekvens på 200 kHz. En 10 µH Codaca induktor väljs, med dess typiska ESR-mot-frekvens-relation som visas i figur 1. Vid den arbetande frekvensen på 200 kHz är ESR ungefär 0,8 Ω.

För en nedladdningsomvandlare är den genomsnittliga induktornströmmen lika med lastströmmen på 0,4 A. Vi kan beräkna förlusten i induktorn enligt:

6,0 % = 0,128 W / (2,0 W + 0,128 W) (Induktorn skulle förbruka 6 % av ingångseffekten)

Om vi däremot kör samma omvandlare vid 4 MHz kan vi se från ESR-kurvan att R är cirka 11 Ω. Effektförlusten i induktorn skulle då vara:

46,8 % = 1,76 W / (2,0 W + 1,76 W) (Induktorn skulle förbruka 46,8 % av ingångseffekten)

Utifrån denna beräkning verkar det som att denna induktor inte bör användas vid eller över denna frekvens.

I praktiken är omvandlarens verkningsgrad mycket bättre än vad som beräknas från ESR-frekvenskurvan. Här är anledningen:

Figur 2 visar en förenklad strömvågform för en nedladdningsomvandlare i kontinuerlig ledningsmod med en liten brusström.

Figur 2. Förenkad strömvågform för Buck-omvandlare

Antag att Ip-p (topp-till-topp-vågström) är ungefär 10 % av medelströmmen:

I_dc = 0,4 A

I_p-p = 0,04 A

För att noggrant utvärdera induktorns förlust måste den delas upp i lågfrekvensförlust (DC-förlust) och högfrekvensförlust.

Lågfrekvensresistansen (vilket i praktiken är DCR) är ungefär 0,7 Ω enligt grafen. Strömmen är effektivvärdet (RMS) av lastströmmen plus vågströmmen. Eftersom vågströmmen är liten är den effektiva strömmen ungefär lika med DC-lastströmmen.

För högfrekvensförlusten gäller detta , R är ESR (200 kHz), där I är endast effektivvärdet (rms) av vågströmmen:

Vid 200 kHz är AC-förlusten:

Därför är den totala beräknade induktorförlusten vid 200 kHz 0,112 W + 0,000106 W = 0,112106 W.

Den förutsagda förlusten vid 200 kHz är bara något högre (mindre än 1 %) än den förlust som förutsägs av DCR.

Nu ska vi beräkna förlusten vid 4 MHz. Förlusten vid låg frekvens förblir densamma, 0,112 W.

Beräkningen av växelströmsförlusten måste använda ESR-värdet vid 4 MHz, vilket vi tidigare uppskattade till 11 Ω:

Total induktorförlust vid 4 MHz är därför 0,112 W + 0,00147 W = 0,11347 W.

Detta är mycket mer beskrivande. Den förutsagda förlusten är endast cirka 1,3 % högre än DCR-förlusten, vilket är långt under den tidigare förutsagda förlusten på 1,76 W. Dessutom skulle man inte använda samma induktansvärde vid 4 MHz som vid 200 kHz; ett lägre induktansvärde skulle användas, och DCR för denna mindre induktor skulle också vara lägre.

2. Design av högeffektiv induktor

För kontinuerliga strömlägeomvandlare där rippelströmmen är liten i förhållande till lastströmmen måste en rimlig förlustberäkning utföras med hjälp av en kombination av DCR och ESR. Dessutom inkluderar inte förlusten beräknad från ESR-kurvan järnförluster. En induktors verkningsgrad bestäms av summan av dess koppar- och järnförluster. Codaca optimerar induktorns verkningsgrad genom att välja material med låga förluster och utforma induktorer för minimal total förlust. Genom att använda platta trådlindningar uppnås lägsta möjliga DCR inom en given storlek, vilket minskar kopparförlusten. Förbättrade kärnmaterial minskar kärnförlusterna vid höga frekvenser, vilket ökar induktorns totala verkningsgrad.

Till exempel, Codacas CSEG-serie av formgjutna effektinduktorer är optimerad för högfrekventa applikationer med höga toppströmmar. Dessa induktorer har mjuka mättningsegenskaper samtidigt som de erbjuder lägst växelförlust och lägre DCR vid frekvenser på 200 kHz och uppåt.

Figur 3 visar induktans kontra ström-karakteristika för 3,8/3,3 µH-induktorer från serien. CSBX , CSEC , och CSEB cSBX-, CSEC- och CSEB-serierna är tydligt de bästa valen för att bibehålla induktans vid strömmar på 12 A eller högre.

Tabell 1. Jämförelse av DCR och Isat för CSBX-, CSEC- och CSEB-serierna.

När man jämför växelströmsförlusterna och totala förlusterna hos induktorerna vid 200 kHz uppnår CSEB-serien, tack vare sin innovativa struktur som överträffar alla tidigare designlösningar, de lägsta likströms- och växelströmsförlusterna. Det gör CSEB-serien till det optimala valet för högfrekventa kraftomvandlingsapplikationer som måste klara höga toppströmmar samtidigt som de kräver så låga likströms- och växelströmsförluster som möjligt.

Figur 3. Jämförelse av mättningsspänningskurvor och temperaturstigningsströmkurvor för 3,8/3,3 μH-induktorer i CSBX-, CSEC- och CSEB-serierna.

Figur 4. Jämförelse av växelströmsförlust och total förlust vid 200 kHz för CSBX-, CSEC- och CSEB-serierna.

3. Induktors snabbvalverktyg

För att påskynda processen för val av induktor för ingenjörer har Codaca utvecklat urvalstekniker som kan beräkna förluster baserat på uppmätta kärn- och lindningsdata för varje tänkbar applikationsförutsättning. Resultaten från dessa verktyg inkluderar strömberoende och frekvensberoende kärn- och lindningsförluster, vilket eliminerar behovet av att begära proprietär information om induktordesign (till exempel kärnmaterial, Ae och antal varv) eller att utföra manuella beräkningar.

Codacas urvalstekniker beräknar det nödvändiga induktansvärdet baserat på driftsförhållanden såsom ingångs/utgångsspänning, switchfrekvens, medelström och brusström. Genom att mata in denna information i vår Power Inductor Finder kan du filtrera efter induktorer som uppfyller dessa krav, där varje induktors induktans, DCR, mättströmskapacitet, temperaturhöjningsström, drifttemperatur och annan information anges.

Om du redan känner till den nödvändiga induktansen och strömmen för ditt användningsområde kan du mata in denna information direkt i Power Inductor Finder resultaten visar kärn- och lindningsförluster samt mättströmsklassningen för varje induktor, vilket gör att du kan verifiera om induktorn kommer att bibehålla sig nära sina konstruktionsparametrar under användningens maxströmsförhållanden.

Verktygen kan också användas för att rita upp sambandet mellan induktans och ström för att jämföra skillnader och fördelar hos olika typer av induktorer. Du kan börja med att sortera resultaten efter total förlust. Genom att sammanställa all induktorinformation (upp till fyra typer) i ett enda diagram och sortera dem underlättas denna analys, vilket gör det möjligt att välja den mest effektiva induktorn.

Att beräkna total förlust kan vara komplext, men dessa beräkningar är inbyggda i Codacas urvalverktyg, vilket gör urval, jämförelse och analys så enkelt som möjligt, så att du mer effektivt kan välja en högeffektiv effektinduktor.

【Referenser】:

Codaca-webbplats: Väljning av induktor för DC/DC-omvandlare - Shenzhen Codaca Electronics Co., Ltd. (codaca.com)

Codaca-webbplats: Sök kraftinduktor - Shenzhen Codaca Electronics Co., Ltd. (codaca.com)

Codaca-webbplats: Jämförelse av förluster i kraftinduktorer - Shenzhen Codaca Electronics Co., Ltd. (codaca.com)