EN
Hızlı Bağlantılar
Yüksek frekanslı DA-DA dönüştürücülerde, bir endüktör çıkıştaki DA üzerine bindirilmiş dalgalanma akımını filtreler. Dönüştürücü bir alçaltıcı (buck), yükseltici (boost) ya da alçaltıcı-yükseltici (buck-boost) topolojisinde olsun, endüktör dalgalanmayı düzleştirerek kararlı bir DA çıkış sağlar. Endüktörsün verimi, demir ve bakır kayıplarının toplamının en düşük olduğu noktada en yüksektir. Dalgalanma akımını düzleştirmek amacıyla iyi bir bileşen seçerek en yüksek verimliliğe—yani en düşük kayba—ulaşmak için, çalışma akımı geçtiğinde endüktörsün çekirdeğinin doymaması ve sargısının aşırı ısınmaması çok önemlidir. Bu makale, endüktörs kayıplarının nasıl değerlendirileceğini tanıtır ve yüksek verimli endüktörs tasarlamak ve hızlıca seçmek için yöntemler sunar.
1. Endüktörs Kayıp Değerlendirmesi
Bir indüktörün çekirdek ve bakır kayıplarını değerlendirmek oldukça karmaşıktır. Çekirdek kaybı genellikle dalgalanma akımı değeri, anahtarlama frekansı, çekirdek malzemesi, çekirdek parametreleri ve çekirdekteki hava boşlukları gibi birkaç faktöre bağlıdır. Devrenin dalgalanma akımı ve anahtarlama frekansı uygulamaya bağlı iken, çekirdek malzemesi, parametreler ve hava boşlukları indüktöre bağımlıdır.
Çekirdek kaybını değerlendirmek için en yaygın denklem Steinmetz denklemidir:
Nerede:
Pvc = Çekirdeğin birim hacim başına güç kaybı
K, x, y = Çekirdek malzemesi sabitleri
f = Anahtarlama frekansı
B = Manyetik akı yoğunluğu
Bu denklem, temel kaybın (demir kaybı) frekans (f) ve manyetik akı yoğunluğuna (B) bağlı olduğunu gösterir. Manyetik akı yoğunluğu dalgalanma akımına bağlı olduğundan, her ikisi de uygulamaya bağlı değişkenlerdir. Temel kayıp aynı zamanda indüktörün kendisiyle de ilişkilidir çünkü çekirdek malzemesi K, x ve y sabitlerini belirler. Ayrıca, manyetik akı yoğunluğu etkin çekirdek alanı (Ae) ve sarım sayısı (N) tarafından birlikte belirlenir. Bu nedenle, temel kaybı hem uygulamaya hem de indüktörün özel tasarımına bağlıdır.
Buna karşılık, DC bakır kaybının hesaplanması görece basittir:
Nerede:
Pdc = DC güç kaybı (W)
Idc_rms = İndüktörün RMS akımı (A)
DCR = İndüktör sargısının DC direnci (Ω)
AC bakır kaybının değerlendirilmesi daha karmaşıktır çünkü yüksek frekanslarda deri etkisi ve yakınlık etkisi nedeniyle AC direncin artması kayıpları artırır. ESR (Eşdeğer Seri Direnç) veya ACR (AC Direnci) eğrisi, daha yüksek frekanslarda dirençte bir artış gösteriyor olabilir. Ancak bu eğriler genellikle çok düşük akım seviyelerinde ölçülür ve bu yüzden dalgalı akımdan kaynaklanan demir kayıplarını içermeyebilir; bu da yaygın bir yanlış anlamayı beraberinde getirir.
Örneğin, Şekil 1'de gösterilen ESR Frekans İlişkisi eğrisini göz önünde bulundurun.
Şekil 1. ESR ile Frekans İlişkisi
Bu grafiğe göre, ESR 1 MHz'in üzerinde oldukça yüksektir. Bu endüktörün bu frekansın üzerinde kullanılması çok yüksek bakır kaybına yol açacakmış gibi görünür ve dolayısıyla uygun olmayan bir seçim olacaktır. Ancak gerçek dünya uygulamalarında endüktörün gerçek kaybı, bu eğrinin öne sürdüğüne kıyasla çok daha düşüktür.
Aşağıdaki örneği göz önünde bulundurun:
Bir dönüştürücünün çıkışının 0,4 A'de 5 V (2,0 W) ve anahtarlama frekansının 200 kHz olduğunu varsayalım. 10µH Codaca endüktör seçilir ve tipik ESR'si ile Frekans ilişkisi Şekil 1'de gösterilmiştir. 200 kHz çalışma frekansında, ESR yaklaşık olarak 0.8Ω'dur.
Bir buck dönüştürücü için, ortalama endüktör akımı 0.4 A olan yük akımına eşittir. Endüktördeki kaybı şu şekilde hesaplayabiliriz:
%%6.0 = 0.128W / (2.0W + 0.128W) (Endüktör giriş gücünün %6'sını tüketirdi)
Ancak, aynı dönüştürücüyü 4 MHz'de çalıştırırsak, ESR eğrisinden R'nin yaklaşık 11Ω olduğunu görürüz. Bu durumda endüktördaki güç kaybı şöyle olurdu:
%%46.8 = 1.76W / (2.0W + 1.76W) (Endüktör giriş gücünün %46.8'ini tüketirdi)
Bu hesaplamaya göre, bu endüktörün bu frekansta veya üzerinde kullanılmaması gerektiği görülür.
Uygulamada, dönüştürücünün verimliliği ESR-frekans eğrisinden hesaplanandan çok daha iyidir. Bunun nedeni şudur:
Şekil 2, küçük dalgalanma akımına sahip sürekli iletim modunda çalışan bir buck dönüştürücü için basitleştirilmiş bir akım dalgası göstermektedir.
Şekil 2. Basitleştirilmiş Buck Dönüştürücü Akım Dalga Formu
Ip-p (tepe-tepe dalgalanma akımı) ortalama akımın yaklaşık %10'u kadar kabul edilirse:
I_dc = 0,4 A
I_p-p = 0,04 A
Endüktör kaybını doğru şekilde değerlendirmek için, bu kayıp düşük frekanslı kayba (DC kayıp) ve yüksek frekanslı kayba ayrılmalıdır.
Düşük frekans direnci (etkin olarak DCR) grafiğe göre yaklaşık 0,7Ω'dur. Akım, yük akımının etkin değeri ile dalgalanma akımının toplamıdır. Dalgalanma akımı küçük olduğundan, etkin akım yaklaşık olarak DC yük akımına eşittir.
Yüksek frekanslı kayıp için yani 
, R, ESR'ye (200 kHz) karşılık gelir ve I sadece dalgalanma akımının etkin (rms) değeridir:
200 kHz'de AC kaybı şöyledir:
Bu nedenle, 200 kHz'de toplam tahmini endüktör kaybı 0,112 W + 0,000106 W = 0,112106 W'tır.
200 kHz'de tahmini kayıp, DCR ile tahmin edilen kayba göre yalnızca biraz daha yüksek (yüzde 1'den az).
Şimdi 4 MHz'deki kaybı hesaplayalım. Düşük frekanslı kayıp aynı kalır, yani 0,112 W'tır.
AC kayıp hesaplamasında daha önce 11Ω olarak tahmin ettiğimiz 4 MHz'deki ESR değerini kullanmak gerekir:
Dolayısıyla, 4 MHz'de toplam endüktör kaybı 0,112 W + 0,00147 W = 0,11347 W'tır.
Bu çok daha anlamlıdır. Tahmini kayıp, DCR kaybına göre yalnızca yaklaşık %1,3 daha yüksektir ve bu, daha önce tahmin edilen 1,76 W değerinden çok daha düşüktür. Ayrıca, 4 MHz'de 200 kHz ile aynı endüktans değerini kullanmazsınız; daha küçük bir endüktans değeri kullanılır ve bu daha küçük endüktörün DCR'si de daha düşük olur.
2. Yüksek Verimli Endüktör Tasarımı
Yük akımına kıyasla dalgalanma akımının küçük olduğu sürekli akım modu dönüştürücüler için, DCR ve ESR'nin birleşimi kullanılarak makul bir kayıp hesabı yapılmalıdır. Ayrıca, ESR eğrisinden hesaplanan kayıp demir kaybını içermemektedir. Bir endüktansın verimliliği, bakır ve demir kayıplarının toplamına bağlıdır. Codaca, düşük kayıplı malzemeler seçerek ve toplam kaybı en aza indirecek şekilde endüktans tasarlayarak endüktans verimliliğini optimize eder. Düz tel sargılar, belirli bir boyut içinde en düşük DCR'yi sağlayarak bakır kaybını azaltır. İyileştirilmiş nüve malzemeleri yüksek frekanslarda nüve kaybını azaltır ve böylece endüktansın genel verimliliğini artırır.
Örneğin, Codaca'nın CSEG serisi kalıplanmış güç endüktansları yüksek frekanslı, yüksek tepe akımlı uygulamalar için optimize edilmiştir. Bu endüktanslar, 200 kHz ve üzeri frekanslarda en düşük AC kaybını ve daha düşük DCR'yi sunarken yumuşak doyma karakteristiğine sahiptir.
Şekil 3, CSBX serisinden 3,8/3,3 µH bobinler için endüktans karşı akım karakteristiklerini göstermektedir. CSBX , CSEC , ve CSEB cSBX, CSEC ve CSEB serileri, 12 A veya daha yüksek akımlarda endüktansı korumak için açıkça en iyi seçimlerdir.
Tablo 1. CSBX, CSEC ve CSEB serileri için DCR ve Isat karşılaştırması.
Bobinlerin 200 kHz'de AC kaybı ile toplam kayıplarını karşılaştırdığımızda, tüm önceki tasarımları geride bırakan yenilikçi yapısıyla CSEB serisi en düşük DC ve AC kayıplarına ulaşır. Bu durum, CSEB serisini yüksek tepe akımlarına dayanması gereken ve mümkün olan en düşük DC ile AC kayıplarını gerektiren yüksek frekanslı güç dönüştürücü uygulamaları için optimal bir seçenek haline getirir.
Şekil 3. CSBX, CSEC ve CSEB serilerindeki 3,8/3,3 μH'lik bobinler için Doyma Akımı ve Sıcaklık Artışı Akımı Eğrilerinin Karşılaştırılması.
Şekil 4. CSBX, CSEC ve CSEB serileri için 200 kHz'de AC Kaybı ve Toplam Kayıp Karşılaştırması.
3. Bobin Hızlı Seçim Aracı
Mühendislerin endüktör seçim sürecini hızlandırmak için Codaca, her olası uygulama koşulu için ölçülen nüve ve sargı verilerine dayalı olarak kayıpları hesaplayabilen seçim araçları geliştirmiştir. Bu araçların sonuçları, akıma ve frekansa bağlı nüve ile sargı kayıplarını içerir ve özel endüktör tasarım bilgilerinin (örneğin nüve malzemesi, Ae ve sarım sayısı) talep edilmesi veya manuel hesaplamalar yapılması ihtiyacını ortadan kaldırır.
Codaca seçim araçları, giriş/çıkış voltajı, anahtarlama frekansı, ortalama akım ve dalgalanma akımı gibi çalışma koşullarına göre gerekli endüktans değerini hesaplar. Bu bilgileri Güç Endüktörü Bulucu'ya girdiğinizde, endüktans, DCR, doyum akımı, sıcaklık artışı akımı, çalışma sıcaklığı ve diğer bilgiler listelenmiş şekilde bu gereksinimleri karşılayan endüktörleri filtreleyebilirsiniz.
Uygulamanız için gerekli endüktans ve akımı zaten biliyorsanız, bu bilgileri doğrudan Güç Endüktörü Bulucu aracına girebilirsiniz. Sonuçlar, her bir endüktörün çekirdek ve sargı kayıplarını ile doyum akımı değerini gösterecek, böylece uygulamanın en yüksek akım koşulları altında endüktörün tasarım özelliklerine ne kadar yakın kalacağını doğrulayabileceksiniz.
Araçlar, farklı endüktör tiplerinin davranışlarını karşılaştırmak ve avantajlarını analiz etmek amacıyla endüktans ile akım arasındaki ilişkiyi grafik üzerinde göstermek için de kullanılabilir. Sonuçları toplam kayba göre sıralayarak başlayabilirsiniz. Tüm endüktör bilgilerini (en fazla dört tip) tek bir grafik üzerinde birleştirip bunları sıralamak, bu analize yardımcı olur ve en verimli endüktörü seçmenizi sağlar.
Toplam kaybı hesaplamak karmaşık olabilir, ancak bu hesaplamalar Codaca'nın seçim araçlarına entegre edilmiştir ve böylece seçim, karşılaştırma ve analiz süreci mümkün olduğunca basitleştirilir; böylece yüksek verimli bir güç endüktörünü daha verimli bir şekilde seçebilirsiniz.
【Kaynaklar】:
Codaca Web Sitesi: DC/DC Dönüştürücü Endüktans Seçimi - Shenzhen Codaca Electronics Co., Ltd. (codaca.com)
Codaca Web Sitesi: Güç Endüktansı Bulucu - Shenzhen Codaca Electronics Co., Ltd. (codaca.com)
Codaca Web Sitesi: Güç Endüktansı Kayıp Karşılaştırması - Shenzhen Codaca Electronics Co., Ltd. (codaca.com)