ในเครื่องแปลง DC-DC ความถี่สูง อินดักเตอร์ทำหน้าที่กรองกระแสแรงกระเพื่อมที่ซ้อนทับอยู่บนเอาต์พุตกระแสตรง ไม่ว่าเครื่องแปลงจะเป็นแบบบัค บูสต์ หรือบัค-บูสต์ อินดักเตอร์จะช่วยทำให้แรงกระเพื่อมเรียบขึ้นเพื่อให้ได้กระแสตรงที่เสถียร ประสิทธิภาพของอินดักเตอร์จะสูงที่สุดเมื่อการสูญเสียรวมกันของเหล็กและทองแดงต่ำที่สุด เพื่อให้ได้ประสิทธิภาพสูงสุด กล่าวคือ การสูญเสียต่ำที่สุด โดยการเลือกชิ้นส่วนที่เหมาะสมเพื่อทำให้กระแสแรงกระเพื่อมเรียบขึ้น สิ่งสำคัญคือต้องแน่ใจว่าหัวใจกลาง (core) ของอินดักเตอร์ไม่อิ่มตัว และขดลวดไม่ร้อนเกินไปเมื่อมีกระแสทำงานผ่านบทความนี้จะแนะนำวิธีการประเมินการสูญเสียของอินดักเตอร์ และนำเสนอวิธีการออกแบบและการเลือกอินดักเตอร์ประสิทธิภาพสูงอย่างรวดเร็ว
1. การประเมินการสูญเสียของอินดักเตอร์
การประเมินการสูญเสียในแกนเหล็กและการสูญเสียจากลวดทองแดงของขดเหนี่ยวนำมีความซับซ้อนค่อนข้างมาก โดยทั่วไปการสูญเสียในแกนเหล็กจะขึ้นอยู่กับหลายปัจจัย เช่น ค่ากระแสสลับรูปคลื่นไซน์ (ripple current), ความถี่ในการสลับ, วัสดุของแกน, พารามิเตอร์ของแกน และช่องว่างอากาศในแกน กระแสสลับรูปคลื่นไซน์และความถี่ในการสลับของวงจรจะขึ้นอยู่กับการประยุกต์ใช้งาน ในขณะที่วัสดุของแกน พารามิเตอร์ และช่องว่างอากาศจะขึ้นอยู่กับตัวขดเหนี่ยวนำ
สมการที่ใช้บ่อยที่สุดสำหรับการประเมินการสูญเสียในแกนเหล็กคือสมการสไตน์เมทซ์:
ที่ไหน:
Pvc = การสูญเสียพลังงานต่อหน่วยปริมาตรของแกน
K, x, y = ค่าคงที่ของวัสดุแกน
f = ความถี่ในการสลับ
B = ความหนาแน่นฟลักซ์แม่เหล็ก
สมการนี้แสดงให้เห็นว่า การสูญเสียในแกน (การสูญเสียเหล็ก) ขึ้นอยู่กับความถี่ (f) และความหนาแน่นของฟลักซ์แม่เหล็ก (B) เนื่องจากความหนาแน่นของฟลักซ์แม่เหล็กรอบค่าริปเปิลของกระแสไฟฟ้า ทั้งสองจึงเป็นตัวแปรที่ขึ้นอยู่กับการประยุกต์ใช้งาน นอกจากนี้ การสูญเสียในแกนยังเกี่ยวข้องกับตัวเหนี่ยวนำเองด้วย เพราะวัสดุของแกนจะเป็นตัวกำหนดค่าคงที่ K, x และ y อีกทั้ง ความหนาแน่นของฟลักซ์แม่เหล็กยังถูกกำหนดร่วมกันโดยพื้นที่ของแกนที่มีประสิทธิภาพ (Ae) และจำนวนรอบหม้อแปลง (N) ดังนั้น การสูญเสียในแกนจึงขึ้นอยู่กับทั้งการประยุกต์ใช้งานและแบบจำลองเฉพาะของตัวเหนี่ยวนำ
ในทางตรงกันข้าม การคำนวณการสูญเสียทองแดงจากกระแสตรงนั้นค่อนข้างง่าย
ที่ไหน:
Pdc = การสูญเสียพลังงานกระแสตรง (วัตต์)
Idc_rms = กระแสเฉลี่ยกำลังสองรากของตัวเหนี่ยวนำ (แอมแปร์)
DCR = ความต้านทานกระแสตรงของขดลวดตัวเหนี่ยวนำ (โอห์ม)
การประเมินการสูญเสียทองแดงจากกระแสสลับมีความซับซ้อนมากกว่า เนื่องจากการสูญเสียเพิ่มขึ้นอันเป็นผลมาจากความต้านทานกระแสสลับที่สูงขึ้น โดยเกิดจากเอฟเฟกต์ผิวหนัง (skin effect) และเอฟเฟกต์ใกล้เคียง (proximity effect) ที่ความถี่สูง อาจแสดงให้เห็นว่าความต้านทานเพิ่มขึ้นในช่วงความถี่สูงผ่านกราฟ ESR (ความต้านทานอนุกรมเทียบเท่า) หรือ ACR (ความต้านทานกระแสสลับ) อย่างไรก็ตาม กราฟเหล่านี้มักจะถูกวัดที่ระดับกระแสต่ำมาก จึงไม่รวมการสูญเสียแกนเหล็กที่เกิดจากกระแสรั่ว (ripple current) ซึ่งเป็นจุดที่มักเข้าใจผิดกันบ่อย
ตัวอย่างเช่น พิจารณากราฟความสัมพันธ์ระหว่าง ESR กับความถี่ที่แสดงในรูปที่ 1
รูปที่ 1 ESR เทียบกับความถี่
จากกราฟนี้ ค่า ESR มีค่าสูงมากเมื่อเกิน 1 MHz การใช้อินดักเตอร์นี้ที่ความถี่สูงกว่านี้ดูเหมือนจะทำให้เกิดการสูญเสียทองแดงสูงมาก จึงดูเหมือนเป็นตัวเลือกที่ไม่เหมาะสม อย่างไรก็ตาม ในแอปพลิเคชันจริง การสูญเสียจริงของอินดักเตอร์จะต่ำกว่าที่กราฟนี้แสดงไว้มาก
พิจารณาตัวอย่างต่อไปนี้:
สมมติว่าคอนเวอร์เตอร์มีค่าเอาต์พุต 5V ที่ 0.4A (2.0W) และความถี่ในการสับเปลี่ยน 200 kHz อินดักเตอร์ 10µH Codaca มีการเลือกอินดักเตอร์ โดยความสัมพันธ์ของค่า ESR ทั่วไปกับความถี่แสดงไว้ในรูปที่ 1 ที่ความถี่การทำงาน 200 kHz ค่า ESR จะอยู่ที่ประมาณ 0.8Ω
สำหรับเครื่องแปลงแบบบัก (buck converter) กระแสไฟฟ้าเฉลี่ยที่ขดลวดเหนี่ยวนำเท่ากับกระแสไฟฟ้าของโหลด ซึ่งเท่ากับ 0.4 A เราสามารถคำนวณการสูญเสียพลังงานในขดลวดเหนี่ยวนำได้ดังนี้
6.0% = 0.128W / (2.0W + 0.128W) (ขดลวดเหนี่ยวนำจะใช้พลังงานนำเข้า 6%)
อย่างไรก็ตาม หากเราให้เครื่องแปลงชนิดเดียวกันทำงานที่ความถี่ 4 MHz เราสามารถสังเกตจากเส้นโค้ง ESR ได้ว่าค่า R มีค่าประมาณ 11Ω การสูญเสียพลังงานในขดลวดเหนี่ยวนำจะเป็นดังนี้
46.8% = 1.76W / (2.0W + 1.76W) (ขดลวดเหนี่ยวนำจะใช้พลังงานนำเข้า 46.8%)
จากการคำนวณนี้ ดูเหมือนว่าขดลวดเหนี่ยวนำนี้ไม่ควรใช้งานที่ความถี่เท่ากับหรือสูงกว่านี้
ในทางปฏิบัติ ประสิทธิภาพของเครื่องแปลงจะดีกว่าที่คำนวณได้จากเส้นโค้ง ESR กับความถี่ นี่คือสาเหตุ:
รูปที่ 2 แสดงคลื่นกระแสไฟฟ้าที่เรียบง่ายสำหรับเครื่องแปลงแบบบัก (buck converter) ที่ทำงานในโหมดการนำไฟฟ้าอย่างต่อเนื่อง โดยมีกระแสริปล์เล็กน้อย
รูปที่ 2 คลื่นกระแสไฟฟ้าของตัวแปลงแบบบักค์อย่างง่าย
สมมุติว่า Ip-p (กระแสแรงกระเพื่อมจากจุดสูงสุดถึงจุดต่ำสุด) มีค่าประมาณ 10% ของกระแสเฉลี่ย:
I_dc = 0.4 A
I_p-p = 0.04 A
เพื่อประเมินการสูญเสียพลังงานของขดลวดเหนี่ยวนำอย่างแม่นยำ จะต้องแบ่งออกเป็นการสูญเสียที่ความถี่ต่ำ (การสูญเสียจากกระแสตรง) และการสูญเสียที่ความถี่สูง
ความต้านทานที่ความถี่ต่ำ (ซึ่งก็คือ DCR โดยแท้จริง) มีค่าประมาณ 0.7Ω จากกราฟ กระแสไฟฟ้าคือค่า RMS ของกระแสโหลดบวกด้วยกระแสแรงกระเพื่อม เนื่องจากกระแสแรงกระเพื่อมมีขนาดเล็ก ดังนั้นกระแสไฟฟ้าที่ใช้ได้จะใกล้เคียงกับกระแสโหลด DC
สำหรับการสูญเสียที่ความถี่สูง นั่นคือ 
, R คือ ESR (200kHz) โดยที่ I เป็นเพียงค่ารากที่สองของค่าเฉลี่ยกำลังสอง (rms) ของกระแสแรงกระเพื่อม:
ที่ความถี่ 200 kHz การสูญเสียพลังงานกระแสสลับมีค่าเท่ากับ
ดังนั้น ที่ความถี่ 200 kHz การสูญเสียพลังงานรวมทั้งหมดของขดลวดเหนี่ยวนำที่คาดการณ์ไว้มีค่าเท่ากับ 0.112 W + 0.000106 W = 0.112106 W
การสูญเสียที่คาดการณ์ไว้ที่ความถี่ 200 กิโลเฮิรตซ์ สูงกว่าการสูญเสียที่คำนวณจาก DCR เพียงเล็กน้อย (ต่ำกว่า 1%)
ตอนนี้ มาคำนวณการสูญเสียที่ 4 เมกะเฮิรตซ์กัน โดยการสูญเสียที่ความถี่ต่ำยังคงเท่าเดิมที่ 0.112 วัตต์
การคำนวณการสูญเสียแบบ AC จำเป็นต้องใช้ค่า ESR ที่ 4 เมกะเฮิรตซ์ ซึ่งเราประมาณค่าไว้ก่อนหน้านี้ที่ 11 โอห์ม:
ดังนั้น การสูญเสียรวมของอินดักเตอร์ที่ 4 เมกะเฮิรตซ์จึงเท่ากับ 0.112 วัตต์ + 0.00147 วัตต์ = 0.11347 วัตต์
สิ่งนี้ชี้ให้เห็นได้ชัดเจนยิ่งขึ้น การสูญเสียที่คาดการณ์ไว้นั้นสูงกว่าการสูญเสียจาก DCR เพียงประมาณ 1.3% เท่านั้น ซึ่งต่ำกว่าค่า 1.76 วัตต์ที่คาดการณ์ไว้ก่อนหน้ามาก นอกจากนี้ ผู้ใช้งานจะไม่นำค่าอินดักแตนซ์เดียวกันมาใช้ที่ 4 เมกะเฮิรตซ์เหมือนที่ 200 กิโลเฮิรตซ์ แต่จะใช้อินดักแตนซ์ที่มีค่าน้อยกว่า และค่า DCR ของอินดักเตอร์ขนาดเล็กนี้ก็จะต่ำกว่าด้วย
2. การออกแบบอินดักเตอร์ประสิทธิภาพสูง
สำหรับเครื่องแปลงสัญญาณโหมดกระแสต่อเนื่องที่มีกระแสริปลึกลบเทียบกับกระแสโหลดน้อย การคำนวณการสูญเสียอย่างสมเหตุสมผลจำเป็นต้องใช้ค่า DCR และ ESR ร่วมกัน นอกจากนี้ การสูญเสียที่คำนวณจากเส้นโค้ง ESR ไม่รวมการสูญเสียของเหล็ก (iron loss) ประสิทธิภาพของขดเหนี่ยวนำจะถูกกำหนดโดยผลรวมของการสูญเสียทองแดงและการสูญเสียเหล็ก Codaca เพิ่มประสิทธิภาพของขดเหนี่ยวนำโดยการเลือกวัสดุที่มีการสูญเสียน้อย และออกแบบขดเหนี่ยวนำให้มีการสูญเสียรวมต่ำที่สุด การใช้ขดลวดแบบแบนช่วยให้ได้ค่า DCR ต่ำที่สุดในขนาดที่กำหนด ซึ่งช่วยลดการสูญเสียจากทองแดง วัสดุแกนที่ดีขึ้นช่วยลดการสูญเสียแกนที่ความถี่สูง จึงช่วยเพิ่มประสิทธิภาพโดยรวมของขดเหนี่ยวนำ
ตัวอย่างเช่น ชุด CSEG ของขดลวดไฟฟ้าชนิดพิมพ์รูปทรงโดย Codaca ได้รับการปรับให้เหมาะสมสำหรับการใช้งานที่ต้องการความถี่สูงและกระแสสูงสุด โดยขดลวดเหล่านี้มีคุณสมบัติการอิ่มตัวแบบนุ่ม (soft saturation characteristics) พร้อมเสนอการสูญเสียกระแสสลับต่ำที่สุด และค่า DCR ต่ำลงที่ความถี่ 200 กิโลเฮิรตซ์ขึ้นไป
รูปที่ 3 แสดงลักษณะของความเหนี่ยวนำเทียบกับกระแสไฟฟ้าสำหรับขดลวดเหนี่ยวนำค่า 3.8/3.3 µH จากซีรีส์ CSBX , CSEC , และ CSEB ซีรีส์ CSBX, CSEC และ CSEB เป็นตัวเลือกที่ดีที่สุดอย่างชัดเจนสำหรับการรักษาค่าความเหนี่ยวนำที่กระแสไฟฟ้า 12A หรือสูงกว่า
ตารางที่ 1. การเปรียบเทียบ DCR และ Isat สำหรับซีรีส์ CSBX, CSEC และ CSEB
เมื่อเปรียบเทียบการสูญเสียพลังงานแบบ AC และการสูญเสียรวมของขดลวดเหนี่ยวนำที่ความถี่ 200 กิโลเฮิรตซ์ ซีรีส์ CSEB ซึ่งมีโครงสร้างที่ทันสมัยและก้าวหน้ากว่าการออกแบบรุ่นก่อนๆ จะให้ค่าการสูญเสีย DC และ AC ต่ำที่สุด ทำให้ซีรีส์ CSEB เป็นตัวเลือกที่เหมาะสมที่สุดสำหรับแอปพลิเคชันเครื่องแปลงพลังงานความถี่สูง ที่ต้องทนต่อกระแสไฟฟ้าสูงสุดในขณะที่ต้องการการสูญเสียพลังงาน DC และ AC ต่ำที่สุด
รูปที่ 3. การเปรียบเทียบเส้นโค้งกระแสเซ็ทตัวเริ่มต้น (Saturation Current) และเส้นโค้งกระแสไฟฟ้าที่ทำให้อุณหภูมิเพิ่มขึ้น สำหรับขดลวดเหนี่ยวนำค่า 3.8/3.3μH ในซีรีส์ CSBX, CSEC และ CSEB
รูปที่ 4. การเปรียบเทียบการสูญเสียพลังงานแบบ AC และการสูญเสียรวมที่ 200 กิโลเฮิรตซ์ สำหรับซีรีส์ CSBX, CSEC และ CSEB
3. เครื่องมือคัดเลือกขดลวดเหนี่ยวนำอย่างรวดเร็ว
เพื่อเร่งกระบวนการคัดเลือกขดลวดเหนี่ยวนำสำหรับวิศวกร Codaca ได้พัฒนาเครื่องมือคัดเลือกที่สามารถคำนวณการสูญเสียพลังงานได้จากข้อมูลแกนเหล็กและขดลวดที่วัดได้ ภายใต้เงื่อนไขการใช้งานทุกรูปแบบ เครื่องมือเหล่านี้จะให้ผลลัพธ์ที่รวมถึงการสูญเสียในแกนเหล็กและขดลวดที่ขึ้นอยู่กับกระแสไฟฟ้าและความถี่ ซึ่งช่วยลดความจำเป็นในการขอข้อมูลการออกแบบขดลวดเหนี่ยวนำเฉพาะ (เช่น วัสดุแกนเหล็ก, Ae และจำนวนรอบของขดลวด) หรือการคำนวณด้วยตนเอง
เครื่องมือคัดเลือกของ Codaca จะคำนวณค่าความเหนี่ยวนำที่ต้องการตามเงื่อนไขการใช้งาน เช่น แรงดันไฟฟ้าขาเข้า/ขาออก ความถี่ในการสลับ กระแสไฟฟ้าเฉลี่ย และกระแสไฟฟ้ารั่ว โดยการป้อนข้อมูลเหล่านี้ลงใน Power Inductor Finder ของเรา คุณสามารถกรองขดลวดเหนี่ยวนำที่ตรงตามข้อกำหนด โดยข้อมูลของแต่ละขดลวดเหนี่ยวนำจะแสดงค่าความเหนี่ยวนำ DCR กระแสไฟฟ้าอิ่มตัว กระแสไฟฟ้าที่ทำให้อุณหภูมิสูงขึ้น อุณหภูมิในการทำงาน และข้อมูลอื่นๆ
หากคุณทราบค่าอินดักแทนซ์และกระแสที่ต้องการสำหรับการใช้งานของคุณอยู่แล้ว คุณสามารถป้อนข้อมูลนี้โดยตรงลงใน Power Inductor Finder ผลลัพธ์จะแสดงค่าการสูญเสียของแกนแม่เหล็กและขดลวด รวมถึงค่าการจุดระดับอิ่มตัวของกระแสไฟฟ้าสำหรับอินดักเตอร์แต่ละตัว ซึ่งช่วยให้คุณตรวจสอบได้ว่าอินดักเตอร์จะยังคงใกล้เคียงกับข้อกำหนดการออกแบบภายใต้สภาวะกระแสสูงสุดของการใช้งานหรือไม่
เครื่องมือเหล่านี้ยังสามารถใช้เพื่อพล็อตพฤติกรรมของอินดักแทนซ์เทียบกับกระแส เพื่อเปรียบเทียบความแตกต่างและข้อดีของอินดักเตอร์ประเภทต่างๆ คุณสามารถเริ่มต้นด้วยการจัดเรียงผลลัพธ์ตามค่าการสูญเสียรวม การนำข้อมูลของอินดักเตอร์ทั้งหมด (สูงสุดสี่ประเภท) มาไว้บนแผนภูมิเดียวกันและการจัดเรียงช่วยให้วิเคราะห์ได้ง่ายขึ้น ทำให้คุณเลือกอินดักเตอร์ที่มีประสิทธิภาพสูงสุดได้
การคำนวณค่าการสูญเสียรวมอาจซับซ้อน แต่การคำนวณเหล่านี้ถูกสร้างไว้ในเครื่องมือการคัดเลือกของ Codaca ทำให้กระบวนการคัดเลือก เปรียบเทียบ และวิเคราะห์ง่ายที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้ เพื่อให้คุณสามารถเลือกอินดักเตอร์กำลังไฟที่มีประสิทธิภาพสูงได้อย่างมีประสิทธิภาพมากยิ่งขึ้น
【อ้างอิง】:
เว็บไซต์ Codaca: การเลือกอินดักเตอร์คอนเวอร์เตอร์ DC/DC - Shenzhen Codaca Electronics Co., Ltd. (codaca.com)
เว็บไซต์ Codaca: ค้นหาอินดักเตอร์กำลัง - Shenzhen Codaca Electronics Co., Ltd. (codaca.com)
เว็บไซต์ Codaca: การเปรียบเทียบการสูญเสียพลังงานของอินดักเตอร์ - Shenzhen Codaca Electronics Co., Ltd. (codaca.com)
EN