Як ефективно вибирати високоефективні потужні котушки індуктивності у перетворювачах постійного струму

У високочастотних перетворювачах постійного струму дросель фільтрує пульсації струму, що накладаються на постійну вихідну напругу. Незалежно від того, чи є перетворювач понижувальним, підвищувальним або понижувально-підвищувальним, дросель згладжує пульсації для забезпечення стабільної постійної вихідної напруги. Ефективність дроселя є найвищою, коли сумарні втрати в осерді та обмотці мінімальні. Щоб досягти найвищої ефективності — тобто найменших втрат — шляхом вибору якісного компонента для згладжування пульсацій струму, важливо забезпечити, щоб осердя дроселя не насичувалося, а обмотка не перегрівалася при проходженні робочого струму. У цій статті розповідається, як оцінювати втрати в дроселях, і наведено методи проектування та швидкого вибору високоефективних дроселів.

1. Оцінка втрат у дроселі

Оцінка втрат в осерді та мідних втрат індуктивності є досить складною. Втрати в осерді зазвичай залежать від кількох факторів, таких як значення струму пульсацій, частота перемикання, матеріал осердя, параметри осердя та повітряні зазори в осерді. Струм пульсацій у схемі та частота перемикання залежать від застосування, тоді як матеріал осердя, параметри та повітряні зазори залежать від індуктивності.

Найпоширенішим рівнянням для оцінки втрат в осерді є рівняння Штейнметца:

Де:

Pvc = Потужність втрат на одиницю об'єму осердя

K, x, y = Константи матеріалу осердя

f = Частота перемикання

B = Густина магнітного потоку

Це рівняння показує, що втрати в осерді (втрати в залізі) залежать від частоти (f) та густини магнітного потоку (B). Оскільки густина магнітного потоку залежить від струму пульсації, обидва ці параметри є змінними, що визначаються застосуванням. Втрати в осерді також пов’язані з самим дроселем, оскільки матеріал осердя визначає сталі K, x і y. Крім того, густина магнітного потоку визначається ефективною площею осердя (Ae) та кількістю витків (N). Отже, втрати в осерді залежать як від застосування, так і від конкретного конструктивного виконання дроселя.

Навпаки, розрахунок постійних втрат у міді є порівняно простим:

Де:

Pdc = втрати потужності постійного струму (Вт)

Idc_rms = діюче значення струму дроселя (А)

DCR = опір обмотки дроселя постійному струму (Ом)

Оцінка втрат в міді при змінному струмі є складнішою, оскільки вони зростають через підвищену активний опір змінного струму, спричинену ефектом поверхневого натягу та ефектом близькості на високих частотах. Крива ESR (еквівалентний послідовний опір) або ACR (опір змінному струму) може показувати певне зростання опору на високих частотах. Проте ці криві, як правило, вимірюються при дуже низьких рівнях струму і тому не враховують втрати в сталі, обумовлені пульсаціями струму, що є поширеною причиною непорозумінь.

Наприклад, розглянемо криву ESR у залежності від частоти, показану на малюнку 1.

Малюнок 1. ESR у залежності від частоти

Згідно з цим графіком, значення ESR є дуже високим понад 1 МГц. Використання цього індуктивного елемента на таких частотах, здавалося б, призведе до дуже високих втрат у міді, що робить його непридатним для застосування. Однак у реальних умовах експлуатації фактичні втрати в котушці значно нижчі, ніж свідчить ця крива.

Розглянемо такий приклад:

Припустимо, перетворювач має вихід 5 В при 0,4 А (2,0 Вт) і робочу частоту перемикання 200 кГц. Індуктивність 10 мкГн Codaca обрано індуктор, типовий зв'язок між еквівалентним послідовним опором (ESR) та частотою показано на рисунку 1. На робочій частоті 200 кГц ESR становить приблизно 0,8 Ом.

Для понижувального перетворювача середній струм через індуктор дорівнює струму навантаження 0,4 А. Ми можемо розрахувати втрати в індукторі наступним чином:

6,0% = 0,128 Вт / (2,0 Вт + 0,128 Вт) (індуктор споживатиме 6% вхідної потужності)

Однак, якщо ми будемо працювати на тій самій частоті перетворювача 4 МГц, то з кривої ESR видно, що R становить близько 11 Ом. Втрати потужності в індукторі тоді будуть такими:

46,8% = 1,76 Вт / (2,0 Вт + 1,76 Вт) (індуктор споживатиме 46,8% вхідної потужності)

Згідно з цим розрахунком, здається, що цей індуктор не слід використовувати на цій або вищих частотах.

На практиці ККД перетворювача значно кращий, ніж розрахований за кривою ESR-частота. Ось чому:

Рисунок 2 показує спрощену форму струму для понижувального перетворювача у режимі безперервного струму з малим пульсаційним струмом.

Рисунок 2. Спрощена форма хвилі струму понижувального перетворювача

Припускаючи, що Ip-p (амплітуда пульсаційного струму) становить близько 10% від середнього струму:

I_dc = 0,4 А

I_p-p = 0,04 А

Для точного оцінювання втрат в індуктивності їх необхідно розділити на втрати низької частоти (втрати постійного струму) та втрати високої частоти.

Опір низької частоти (що ефективно є DCR) становить приблизно 0,7 Ом за графіком. Струм — це діюче значення струму навантаження плюс пульсаційний струм. Оскільки пульсаційний струм малий, ефективний струм приблизно дорівнює постійному струму навантаження.

Для втрат високої частоти, це , R — це ESR (200 кГц), де I — лише середньоквадратичне (діюче) значення пульсаційного струму:

На частоті 200 кГц змінні втрати становлять:

Отже, на частоті 200 кГц загальні передбачувані втрати в індуктивності становлять 0,112 Вт + 0,000106 Вт = 0,112106 Вт.

Прогнозована втрата на 200 кГц трохи вища (менше ніж на 1%) порівняно з втратами, спрогнозованими за DCR.

Тепер розрахуємо втрати на частоті 4 МГц. Втрати на низькій частоті залишаються незмінними — 0,112 Вт.

Для розрахунку втрат змінного струму необхідно використовувати ESR на частоті 4 МГц, який ми раніше оцінили як 11 Ом:

Отже, загальні втрати індуктивності на частоті 4 МГц становлять 0,112 Вт + 0,00147 Вт = 0,11347 Вт.

Це значно показовіше. Прогнозовані втрати лише приблизно на 1,3% вищі за втрати DCR, що набагато менше, ніж раніше прогнозовані 1,76 Вт. Більше того, на частоті 4 МГц не використовували б таке саме значення індуктивності, як на 200 кГц; використовувалося б менше значення індуктивності, а отже, і DCR такого меншого дроселя також був би нижчим.

2. Конструкція високоефективного дроселя

Для перетворювачів у режимі неперервного струму, де пульсації струму малі порівняно з робочим струмом, розрахунок втрат слід виконувати з урахуванням як DCR, так і ESR. Крім того, втрати, розраховані за кривою ESR, не враховують втрати в сталі. Ефективність котушки визначається сумою її втрат в міді та в залізі. Codaca оптимізує ефективність котушок, використовуючи матеріали з низькими втратами та проектуючи котушки для мінімізації загальних втрат. Використання плоских дротів забезпечує найнижчий DCR у заданому габариті, зменшуючи втрати в міді. Покращені матеріали сердечника зменшують втрати в осерді на високих частотах, тим самим підвищуючи загальну ефективність котушки.

Наприклад, Серія CSEG виробництва Codaca — формовані потужні котушки індуктивності оптимізована для високочастотних застосувань із високим піковим струмом. Ці котушки мають м'яку характеристику насичення та забезпечують найнижчі змінні втрати та менший DCR на частотах 200 кГц і вище.

Рисунок 3 показує залежність індуктивності від струму для котушок індуктивності 3,8/3,3 мкГн серії CSBX , CSEC , а також CSEB серії CSBX, CSEC та CSEB є найкращим вибором для збереження індуктивності на струмах 12 А або вище.

Таблиця 1. Порівняння DCR та Isat для серій CSBX, CSEC та CSEB.

При порівнянні втрат змінного струму та загальних втрат котушок індуктивності на частоті 200 кГц, серія CSEB завдяки інноваційній конструкції, яка перевершує всі попередні розробки, досягає найнижчих втрат постійного та змінного струму. Це робить серію CSEB оптимальним вибором для високочастотних перетворювачів потужності, які мають витримувати високі пікові струми й потребують найменших можливих втрат постійного та змінного струму.

Рисунок 3. Порівняння кривих струму насичення та струму підвищення температури для котушок індуктивності 3,8/3,3 мкГн серій CSBX, CSEC та CSEB.

Рисунок 4. Порівняння втрат змінного струму та загальних втрат на частоті 200 кГц для серій CSBX, CSEC та CSEB.

3. Інструмент швидкого вибору котушки індуктивності

Щоб прискорити процес вибору індуктивності для інженерів, компанія Codaca розробила інструменти вибору, які можуть обчислювати втрати на основі виміряних даних сердечника та обмотки для кожного можливого умови застосування. Результати цих інструментів включають залежні від струму та частоти втрати в сердечнику та обмотці, що усуває необхідність запитувати власну інформацію про конструкцію індуктивності (наприклад, матеріал сердечника, Ae та кількість витків) або виконувати ручні розрахунки.

Інструменти вибору Codaca обчислюють необхідне значення індуктивності на основі робочих умов, таких як вхідна/вихідна напруга, частота перемикання, середній струм і пульсації струму. Ввівши цю інформацію до нашого пошуку силових котушок індуктивності, ви можете фільтрувати котушки, які відповідають цим вимогам, при цьому для кожної котушки вказані індуктивність, DCR, струм насичення, струм підвищення температури, робоча температура та інша інформація.

Якщо ви вже знаєте необхідну індуктивність і струм для вашого застосування, ви можете безпосередньо ввести цю інформацію в Пошукову систему силових котушок індуктивності . У результатах буде показано втрати в осерді та обмотці, а також номінальний струм насичення для кожної котушки індуктивності, що дозволить перевірити, чи котушка зможе зберігати параметри, близькі до проектних, за умов пікового струму у застосуванні.

Інструменти також можна використовувати для побудови графіків залежності індуктивності від струму, щоб порівняти відмінності та переваги різних типів котушок індуктивності. Ви можете почати з сортування результатів за загальними втратами. Розміщення всієї інформації про котушки індуктивності (до чотирьох типів) на одному графіку та їхнє сортування полегшують цей аналіз і допомагають обрати найефективнішу котушку індуктивності.

Розрахунок загальних втрат може бути складним, але ці обчислення вбудовані в інструменти вибору Codaca, що робить процес вибору, порівняння та аналізу максимально простим, і дозволяє ефективніше обрати високоефективну силову котушку індуктивності.

【Джерела】:

Сайт Codaca: Вибір індуктивності перетворювача постійного струму – Shenzhen Codaca Electronics Co., Ltd. (codaca.com)

Сайт Codaca: Пошук силової індуктивності – Shenzhen Codaca Electronics Co., Ltd. (codaca.com)

Сайт Codaca: Порівняння втрат силової індуктивності – Shenzhen Codaca Electronics Co., Ltd. (codaca.com)