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Résumé

Les inductances sont des composants très importants dans les convertisseurs à découpage, tels que le stockage d'énergie et les filtres de puissance. Il existe de nombreux types d'inducteurs, par exemple pour différentes applications (de basse fréquence à haute fréquence), ou différents matériaux de noyau qui affectent les caractéristiques de l'inducteur, etc. Les inductances utilisées dans les convertisseurs à découpage sont des composants magnétiques haute fréquence. Cependant, en raison de divers facteurs tels que les matériaux, les conditions de fonctionnement (telles que la tension et le courant) et la température ambiante, les caractéristiques et les théories présentées sont très différentes. Par conséquent, dans la conception du circuit, en plus du paramètre de base de la valeur de l'inductance, la relation entre l'impédance de l'inductance et la résistance et la fréquence CA, la perte dans le noyau et les caractéristiques du courant de saturation, etc. doivent toujours être prises en compte. Cet article présentera plusieurs matériaux importants de noyau d'inductance et leurs caractéristiques, et guidera également les ingénieurs électriciens dans le choix des inductances standard disponibles dans le commerce.

Préface

L'inducteur est un composant d'induction électromagnétique formé en enroulant un certain nombre de bobines (bobine) sur une bobine ou un noyau avec un fil isolé. Cette bobine est appelée bobine d'inductance ou Inductance. Selon le principe de l'induction électromagnétique, lorsque la bobine et le champ magnétique se déplacent l'un par rapport à l'autre, ou que la bobine génère un champ magnétique alternatif via un courant alternatif, une tension induite sera générée pour résister au changement du champ magnétique d'origine. et cette caractéristique de restriction du changement de courant est appelée inductance.

La formule de la valeur de l'inductance est la formule (1), qui est proportionnelle à la perméabilité magnétique, au carré des spires de l'enroulement N et à la section transversale équivalente du circuit magnétique Ae, et est inversement proportionnelle à la longueur équivalente du circuit magnétique le . Il existe de nombreux types d'inductances, chacune adaptée à différentes applications ; l'inductance est liée à la forme, à la taille, à la méthode d'enroulement, au nombre de tours et au type de matériau magnétique intermédiaire.

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Selon la forme du noyau de fer, l'inductance comprend le toroïdal, le noyau E et le tambour ; en termes de matériau de noyau de fer, il existe principalement un noyau en céramique et deux types magnétiques doux. Ce sont de la ferrite et de la poudre métallique. Selon la structure ou la méthode d'emballage, il existe des fils enroulés, multicouches et moulés, et le fil enroulé est non blindé et la moitié de la colle magnétique est blindée (semi-blindée) et blindée (blindée), etc.

L'inductance agit comme un court-circuit en courant continu et présente une haute impédance au courant alternatif. Les utilisations de base dans les circuits comprennent l'étouffement, le filtrage, le réglage et le stockage d'énergie. Dans l'application du convertisseur de commutation, l'inductance est le composant de stockage d'énergie le plus important et forme un filtre passe-bas avec le condensateur de sortie pour réduire l'ondulation de la tension de sortie. Elle joue donc également un rôle important dans la fonction de filtrage.

Cet article présentera les différents matériaux de base des inducteurs et leurs caractéristiques, ainsi que certaines des caractéristiques électriques des inducteurs, en tant que référence d'évaluation importante pour la sélection des inducteurs lors de la conception du circuit. Dans l'exemple d'application, comment calculer la valeur de l'inductance et comment choisir un inducteur standard disponible dans le commerce sera présenté à travers des exemples pratiques.

Type de matériau de base

Les inductances utilisées dans les convertisseurs à découpage sont des composants magnétiques haute fréquence. Le matériau du noyau au centre affecte le plus les caractéristiques de l'inducteur, telles que l'impédance et la fréquence, la valeur et la fréquence de l'inductance ou les caractéristiques de saturation du noyau. Ce qui suit présentera la comparaison de plusieurs matériaux de noyau de fer courants et de leurs caractéristiques de saturation comme référence importante pour la sélection des inductances de puissance :

1. Noyau en céramique

Le noyau en céramique est l'un des matériaux d'inductance courants. Il est principalement utilisé pour fournir la structure de support utilisée lors de l’enroulement de la bobine. Il est également appelé « inducteur à noyau d’air ». Le noyau de fer utilisé étant un matériau non magnétique avec un très faible coefficient de température, la valeur de l'inductance est très stable dans la plage de température de fonctionnement. Cependant, en raison du matériau non magnétique utilisé comme milieu, l'inductance est très faible, ce qui n'est pas très adapté à l'application de convertisseurs de puissance.

2. Ferrites

Le noyau de ferrite utilisé dans les inductances haute fréquence générales est un composé de ferrite contenant du nickel-zinc (NiZn) ou du manganèse-zinc (MnZn), qui est un matériau ferromagnétique magnétique doux à faible coercivité. La figure 1 montre la courbe d'hystérésis (boucle BH) d'un noyau magnétique général. La force coercitive HC d'un matériau magnétique est également appelée force coercitive, ce qui signifie que lorsque le matériau magnétique a été magnétisé jusqu'à saturation magnétique, son aimantation (magnétisation) est réduite à zéro, l'intensité du champ magnétique requis à ce moment-là. Une coercivité plus faible signifie une résistance à la démagnétisation plus faible et signifie également une perte par hystérésis plus faible.

Les ferrites manganèse-zinc et nickel-zinc ont une perméabilité relative (μr) relativement élevée, environ 1 500-15 000 et 100-1 000, respectivement. Leur haute perméabilité magnétique rend le noyau de fer plus haut dans un certain volume. L'inductance. Cependant, l’inconvénient est que son courant de saturation tolérable est faible et qu’une fois le noyau de fer saturé, la perméabilité magnétique chutera fortement. Reportez-vous à la figure 4 pour connaître la tendance à la baisse de la perméabilité magnétique des noyaux de ferrite et de poudre de fer lorsque le noyau de fer est saturé. Comparaison. Lorsqu'il est utilisé dans des inductances de puissance, un entrefer sera laissé dans le circuit magnétique principal, ce qui peut réduire la perméabilité, éviter la saturation et stocker plus d'énergie ; lorsque l'entrefer est inclus, la perméabilité relative équivalente peut être d'environ 20 à 200. Étant donné que la résistivité élevée du matériau lui-même peut réduire la perte causée par les courants de Foucault, la perte est plus faible aux hautes fréquences et elle est plus adaptée pour transformateurs haute fréquence, inductances de filtre EMI et inductances de stockage d'énergie des convertisseurs de puissance. En termes de fréquence de fonctionnement, la ferrite nickel-zinc convient à une utilisation (> 1 MHz), tandis que la ferrite manganèse-zinc convient aux bandes de fréquences inférieures (<2 MHz).

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Figure 1. La courbe d'hystérésis du noyau magnétique (BR : rémanence ; BSAT : densité de flux magnétique à saturation)

3. Noyau de fer en poudre

Les noyaux de fer en poudre sont également des matériaux ferromagnétiques doux. Ils sont constitués d'alliages de poudre de fer de différents matériaux ou uniquement de poudre de fer. La formule contient des matériaux non magnétiques avec différentes tailles de particules, la courbe de saturation est donc relativement douce. Le noyau de poudre de fer est principalement toroïdal. La figure 2 montre le noyau de poudre de fer et sa vue en coupe transversale.

Les noyaux de fer en poudre courants comprennent l'alliage fer-nickel-molybdène (MPP), le sendust (Sendust), l'alliage fer-nickel (flux élevé) et le noyau de poudre de fer (poudre de fer). En raison des différents composants, ses caractéristiques et ses prix sont également différents, ce qui affecte le choix des inducteurs. Ce qui suit présentera les types de base susmentionnés et comparera leurs caractéristiques :

A. Alliage fer-nickel-molybdène (MPP)

L'alliage Fe-Ni-Mo est abrégé en MPP, qui est l'abréviation de poudre de molypermalloy. La perméabilité relative est d'environ 14 à 500 et la densité de flux magnétique de saturation est d'environ 7 500 Gauss (Gauss), ce qui est supérieur à la densité de flux magnétique de saturation de la ferrite (environ 4 000 à 5 000 Gauss). Beaucoup sont sortis. Le MPP présente la plus faible perte de fer et la meilleure stabilité en température parmi les noyaux de fer en poudre. Lorsque le courant continu externe atteint le courant de saturation ISAT, la valeur de l'inductance diminue lentement sans atténuation brusque. Le MPP a de meilleures performances mais un coût plus élevé et est généralement utilisé comme inductance de puissance et comme filtrage EMI pour les convertisseurs de puissance.

B. Sendust

Le noyau de fer en alliage fer-silicium-aluminium est un noyau de fer en alliage composé de fer, de silicium et d'aluminium, avec une perméabilité magnétique relative d'environ 26 à 125. La perte de fer se situe entre le noyau de poudre de fer et le MPP et l'alliage fer-nickel. . La densité de flux magnétique à saturation est supérieure à MPP, environ 10 500 Gauss. La stabilité de la température et les caractéristiques du courant de saturation sont légèrement inférieures à celles du MPP et de l'alliage fer-nickel, mais meilleures que celles du noyau de poudre de fer et du noyau de ferrite, et le coût relatif est moins cher que celui du MPP et de l'alliage fer-nickel. Il est principalement utilisé dans les circuits de filtrage EMI, de correction du facteur de puissance (PFC) et les inductances de puissance des convertisseurs de puissance à découpage.

C. Alliage fer-nickel (flux élevé)

Le noyau en alliage fer-nickel est composé de fer et de nickel. La perméabilité magnétique relative est d'environ 14-200. La perte de fer et la stabilité de la température se situent entre le MPP et l'alliage fer-silicium-aluminium. Le noyau en alliage fer-nickel a la densité de flux magnétique de saturation la plus élevée, environ 15 000 Gauss, et peut résister à des courants de polarisation CC plus élevés, et ses caractéristiques de polarisation CC sont également meilleures. Champ d'application : correction active du facteur de puissance, inductance de stockage d'énergie, inductance de filtre, transformateur haute fréquence du convertisseur flyback, etc.

D. Poudre de fer

Le noyau de poudre de fer est constitué de particules de poudre de fer de haute pureté avec de très petites particules isolées les unes des autres. Le processus de fabrication lui confère un entrefer distribué. En plus de la forme en anneau, les formes courantes de noyau de poudre de fer ont également des types de type E et d'estampage. La perméabilité magnétique relative du noyau de poudre de fer est d'environ 10 à 75 et la densité de flux magnétique à saturation élevée est d'environ 15 000 Gauss. Parmi les noyaux de poudre de fer, le noyau de poudre de fer présente la perte de fer la plus élevée mais le coût le plus bas.

La figure 3 représente les courbes BH de la ferrite manganèse-zinc PC47 fabriquée par TDK et des noyaux de fer en poudre -52 et -2 fabriqués par MICROMETALS ; la perméabilité magnétique relative de la ferrite de manganèse-zinc est bien supérieure à celle des noyaux de fer en poudre et est saturée. La densité de flux magnétique est également très différente, la ferrite est d'environ 5 000 Gauss et le noyau de poudre de fer est supérieur à 10 000 Gauss.

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Figure 3. Courbe BH des noyaux de ferrite de manganèse-zinc et de poudre de fer de différents matériaux

En résumé, les caractéristiques de saturation du noyau de fer sont différentes ; une fois le courant de saturation dépassé, la perméabilité magnétique du noyau de ferrite chutera fortement, tandis que le noyau de poudre de fer pourra diminuer lentement. La figure 4 montre les caractéristiques de chute de perméabilité magnétique d'un noyau de poudre de fer ayant la même perméabilité magnétique et d'une ferrite avec un entrefer sous différentes intensités de champ magnétique. Cela explique également l'inductance du noyau de ferrite, car la perméabilité diminue fortement lorsque le noyau est saturé, comme le montre l'équation (1), cela entraîne également une forte baisse de l'inductance ; tandis que le noyau de poudre avec entrefer distribué, la perméabilité magnétique Le taux diminue lentement lorsque le noyau de fer est saturé, de sorte que l'inductance diminue plus doucement, c'est-à-dire qu'elle a de meilleures caractéristiques de polarisation CC. Dans l’application des convertisseurs de puissance, cette caractéristique est très importante ; si la caractéristique de saturation lente de l'inducteur n'est pas bonne, le courant de l'inducteur augmente jusqu'au courant de saturation et la chute soudaine de l'inductance entraînera une forte augmentation de la contrainte de courant du cristal de commutation, ce qui est facile à causer des dommages.

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Figure 4. Caractéristiques de chute de perméabilité magnétique du noyau de fer en poudre et du noyau de ferrite avec entrefer sous différentes intensités de champ magnétique.

Caractéristiques électriques de l'inducteur et structure du boîtier

Lors de la conception d'un convertisseur de commutation et de la sélection d'une inductance, la valeur d'inductance L, l'impédance Z, la résistance AC ACR et la valeur Q (facteur de qualité), le courant nominal IDC et ISAT, la perte de noyau (perte de noyau) et d'autres caractéristiques électriques importantes sont tous obligatoires. être considéré. De plus, la structure d'emballage de l'inducteur affectera l'ampleur de la fuite magnétique, qui à son tour affecte les EMI. Ce qui suit discutera séparément des caractéristiques mentionnées ci-dessus en tant que considérations pour la sélection des inducteurs.

1. Valeur d'inductance (L)

La valeur de l'inductance d'un inducteur est le paramètre de base le plus important dans la conception d'un circuit, mais il faut vérifier si la valeur de l'inductance est stable à la fréquence de fonctionnement. La valeur nominale de l'inductance est généralement mesurée à 100 kHz ou 1 MHz sans polarisation CC externe. Et pour garantir la possibilité d'une production automatisée en série, la tolérance de l'inducteur est généralement de ±20 % (M) et ±30 % (N). La figure 5 est le graphique caractéristique inductance-fréquence de l'inducteur Taiyo Yuden NR4018T220M mesuré avec le compteur LCR de Wayne Kerr. Comme le montre la figure, la courbe de valeur d'inductance est relativement plate avant 5 MHz et la valeur d'inductance peut presque être considérée comme une constante. Dans la bande haute fréquence, en raison de la résonance générée par la capacité et l'inductance parasites, la valeur de l'inductance augmentera. Cette fréquence de résonance est appelée fréquence d’auto-résonance (SRF), qui doit généralement être bien supérieure à la fréquence de fonctionnement.

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Figure 5, diagramme de mesure de la caractéristique inductance-fréquence du Taiyo Yuden NR4018T220M

2. Impédance (Z)

Comme le montre la figure 6, le diagramme d'impédance peut également être vu à partir des performances de l'inductance à différentes fréquences. L'impédance de l'inductance est approximativement proportionnelle à la fréquence (Z=2πfL), donc plus la fréquence est élevée, la réactance sera beaucoup plus grande que la résistance AC, donc l'impédance se comporte comme une inductance pure (la phase est de 90˚). Aux hautes fréquences, en raison de l'effet de capacité parasite, le point de fréquence auto-résonnant de l'impédance peut être vu. Après ce point, l'impédance chute et devient capacitive, et la phase passe progressivement à -90 ˚.

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3. Valeur Q et résistance AC (ACR)

La valeur Q dans la définition de l'inductance est le rapport entre la réactance et la résistance, c'est-à-dire le rapport entre la partie imaginaire et la partie réelle de l'impédance, comme dans la formule (2).

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Où XL est la réactance de l'inducteur et RL est la résistance alternative de l'inducteur.

Dans la plage des basses fréquences, la résistance CA est supérieure à la réactance provoquée par l'inductance, sa valeur Q est donc très faible ; à mesure que la fréquence augmente, la réactance (environ 2πfL) devient de plus en plus grande, même si la résistance due à l'effet de peau (effet de peau) et à l'effet de proximité (proximité)) L'effet devient de plus en plus grand et la valeur Q augmente toujours avec la fréquence ; à l'approche de SRF, la réactance inductive est progressivement compensée par la réactance capacitive, et la valeur Q devient progressivement plus petite ; lorsque le SRF devient nul, car la réactance inductive et la réactance capacitive sont complètement les mêmes Disparaissent. La figure 7 montre la relation entre la valeur Q et la fréquence du NR4018T220M, et la relation a la forme d'une cloche inversée.

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Figure 7. La relation entre la valeur Q et la fréquence de l'inducteur Taiyo Yuden NR4018T220M

Dans la bande de fréquence d'application de l'inductance, plus la valeur Q est élevée, mieux c'est ; cela signifie que sa réactance est bien supérieure à la résistance AC. D'une manière générale, la meilleure valeur Q est supérieure à 40, ce qui signifie que la qualité de l'inducteur est bonne. Cependant, généralement, à mesure que la polarisation CC augmente, la valeur de l'inductance diminue et la valeur Q diminue également. Si un fil émaillé plat ou un fil émaillé multibrins est utilisé, l'effet cutané, c'est-à-dire la résistance CA, peut être réduit et la valeur Q de l'inducteur peut également être augmentée.

La résistance CC DCR est généralement considérée comme la résistance CC du fil de cuivre, et la résistance peut être calculée en fonction du diamètre et de la longueur du fil. Cependant, la plupart des inducteurs CMS à faible courant utiliseront le soudage par ultrasons pour fabriquer la feuille de cuivre du CMS au niveau de la borne d'enroulement. Cependant, comme le fil de cuivre n'est pas long et que la valeur de résistance n'est pas élevée, la résistance de soudage représente souvent une proportion considérable de la résistance CC globale. En prenant comme exemple l'inducteur CMS bobiné CLF6045NIT-1R5N de TDK, la résistance CC mesurée est de 14,6 mΩ et la résistance CC calculée en fonction du diamètre et de la longueur du fil est de 12,1 mΩ. Les résultats montrent que cette résistance de soudage représente environ 17 % de la résistance DC globale.

Résistance AC L'ACR a un effet cutané et un effet de proximité, ce qui entraînera une augmentation de l'ACR avec la fréquence ; dans l'application de l'inductance générale, étant donné que la composante alternative est bien inférieure à la composante continue, l'influence provoquée par l'ACR n'est pas évidente ; mais à faible charge, la composante CC étant réduite, la perte causée par l'ACR ne peut être ignorée. L'effet de peau signifie que dans des conditions AC, la répartition du courant à l'intérieur du conducteur est inégale et concentrée sur la surface du fil, ce qui entraîne une réduction de la section transversale équivalente du fil, ce qui à son tour augmente la résistance équivalente du fil avec fréquence. De plus, dans un enroulement de fil, les fils adjacents provoqueront l'addition et la soustraction de champs magnétiques dus au courant, de sorte que le courant soit concentré sur la surface adjacente au fil (ou sur la surface la plus éloignée, selon la direction du courant). ), ce qui provoque également une interception de fil équivalente. Le phénomène selon lequel la surface diminue et la résistance équivalente augmente est ce que l'on appelle l'effet de proximité ; dans l'application d'inductance d'un enroulement multicouche, l'effet de proximité est encore plus évident.

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La figure 8 montre la relation entre la résistance CA et la fréquence de l'inducteur CMS bobiné NR4018T220M. À une fréquence de 1 kHz, la résistance est d'environ 360 mΩ ; à 100 kHz, la résistance monte à 775 mΩ ; à 10 MHz, la valeur de résistance est proche de 160 Ω. Lors de l'estimation de la perte de cuivre, le calcul doit prendre en compte l'ACR provoqué par les effets de peau et de proximité, et le modifier selon la formule (3).

4. Courant de saturation (ISAT)

Le courant de saturation ISAT est généralement le courant de polarisation marqué lorsque la valeur de l'inductance est atténuée, par exemple 10 %, 30 % ou 40 %. Pour la ferrite à entrefer, étant donné que sa caractéristique de courant de saturation est très rapide, il n'y a pas beaucoup de différence entre 10 % et 40 %. Reportez-vous à la figure 4. Cependant, s'il s'agit d'un noyau de poudre de fer (comme un inducteur estampé), la courbe de saturation est relativement douce, comme le montre la figure 9, le courant de polarisation à 10 % ou 40 % de l'atténuation de l'inductance est beaucoup plus faible. différent, donc la valeur du courant de saturation sera discutée séparément pour les deux types de noyaux de fer comme suit.

Pour une ferrite à entrefer, il est raisonnable d'utiliser ISAT comme limite supérieure du courant d'inductance maximal pour les applications de circuit. Cependant, s'il s'agit d'un noyau de poudre de fer, en raison de la caractéristique de saturation lente, il n'y aura aucun problème même si le courant maximum du circuit d'application dépasse ISAT. Par conséquent, cette caractéristique du noyau de fer est la plus adaptée aux applications de convertisseurs à découpage. Sous une charge importante, bien que la valeur d'inductance de l'inductance soit faible, comme le montre la figure 9, le facteur d'ondulation du courant est élevé, mais la tolérance du courant du condensateur actuel est élevée, ce ne sera donc pas un problème. Sous une charge légère, la valeur d'inductance de l'inducteur est plus grande, ce qui contribue à réduire le courant d'ondulation de l'inducteur, réduisant ainsi la perte de fer. La figure 9 compare la courbe de courant de saturation de la ferrite enroulée SLF7055T1R5N de TDK et de l'inducteur à noyau de poudre de fer estampé SPM6530T1R5M sous la même valeur nominale d'inductance.

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Figure 9. Courbe de courant de saturation de la ferrite enroulée et du noyau de poudre de fer estampé sous la même valeur nominale d'inductance

5. Courant nominal (IDC)

La valeur IDC est la polarisation CC lorsque la température de l'inducteur atteint Tr˚C. Les spécifications indiquent également sa valeur de résistance DC RDC à 20˚C. Selon le coefficient de température du fil de cuivre est d'environ 3 930 ppm, lorsque la température de Tr augmente, sa valeur de résistance est RDC_Tr = RDC (1+0,00393Tr) et sa consommation électrique est PCU = I2DCxRDC. Cette perte de cuivre est dissipée à la surface de l'inducteur, et la résistance thermique ΘTH de l'inducteur peut être calculée :

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Le tableau 2 fait référence à la fiche technique de la série TDK VLS6045EX (6,0 × 6,0 × 4,5 mm) et calcule la résistance thermique à une augmentation de température de 40 °C. Évidemment, pour des inducteurs de même série et de même taille, la résistance thermique calculée est presque la même en raison de la même surface de dissipation thermique ; en d'autres termes, le courant nominal IDC de différents inducteurs peut être estimé. Différentes séries (boîtiers) d'inducteurs ont des résistances thermiques différentes. Le tableau 3 compare la résistance thermique des inductances des séries TDK VLS6045EX (semi-blindées) et SPM6530 (moulées). Plus la résistance thermique est grande, plus l'augmentation de température générée lorsque l'inductance traverse le courant de charge est importante ; sinon, le plus bas.

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Tableau 2. Résistance thermique des inducteurs de la série VLS6045EX à une augmentation de température de 40 °C

Il ressort du tableau 3 que même si la taille des inducteurs est similaire, la résistance thermique des inducteurs estampés est faible, c'est-à-dire que la dissipation thermique est meilleure.

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Tableau 3. Comparaison de la résistance thermique de différents inducteurs de boîtier.

6. Perte de base

La perte de noyau, appelée perte de fer, est principalement causée par la perte par courants de Foucault et par hystérésis. L'ampleur de la perte par courants de Foucault dépend principalement de la facilité avec laquelle le matériau du noyau est « conducteur » ; si la conductivité est élevée, c'est-à-dire que la résistivité est faible, la perte par courants de Foucault est élevée, et si la résistivité de la ferrite est élevée, la perte par courants de Foucault est relativement faible. La perte par courants de Foucault est également liée à la fréquence. Plus la fréquence est élevée, plus la perte par courants de Foucault est importante. Par conséquent, le matériau du noyau déterminera la fréquence de fonctionnement appropriée du noyau. D'une manière générale, la fréquence de travail du noyau de poudre de fer peut atteindre 1 MHz et la fréquence de travail de la ferrite peut atteindre 10 MHz. Si la fréquence de fonctionnement dépasse cette fréquence, la perte par courants de Foucault augmentera rapidement et la température du noyau de fer augmentera également. Cependant, avec le développement rapide des matériaux pour noyaux de fer, des noyaux de fer avec des fréquences de fonctionnement plus élevées devraient bientôt être disponibles.

Une autre perte de fer est la perte d'hystérésis, qui est proportionnelle à la zone délimitée par la courbe d'hystérésis, qui est liée à l'amplitude d'oscillation de la composante alternative du courant ; plus l'oscillation CA est grande, plus la perte par hystérésis est importante.

Dans le circuit équivalent d'un inducteur, une résistance connectée en parallèle avec l'inducteur est souvent utilisée pour exprimer la perte fer. Lorsque la fréquence est égale à SRF, la réactance inductive et la réactance capacitive s'annulent et la réactance équivalente est nulle. À ce stade, l'impédance de l'inducteur est équivalente à la résistance de perte de fer en série avec la résistance de l'enroulement, et la résistance de perte de fer est beaucoup plus grande que la résistance de l'enroulement, donc l'impédance au SRF est approximativement égale à la résistance de perte de fer. En prenant comme exemple un inducteur basse tension, sa résistance aux pertes dans le fer est d'environ 20 kΩ. Si la valeur efficace de la tension aux deux extrémités de l'inducteur est estimée à 5 V, sa perte de fer est d'environ 1,25 mW, ce qui montre également que plus la résistance de perte de fer est grande, mieux c'est.

7. Structure du bouclier

La structure d'emballage des inducteurs en ferrite comprend des éléments non blindés, semi-blindés avec de la colle magnétique et blindés, et il existe un entrefer considérable dans l'un ou l'autre d'entre eux. De toute évidence, l'entrefer aura une fuite magnétique et, dans le pire des cas, il interférera avec les petits circuits de signaux environnants, ou s'il y a un matériau magnétique à proximité, son inductance sera également modifiée. Une autre structure d'emballage est un inducteur à poudre de fer estampé. Puisqu’il n’y a pas d’espace à l’intérieur de l’inducteur et que la structure d’enroulement est solide, le problème de dissipation du champ magnétique est relativement faible. La figure 10 représente l'utilisation de la fonction FFT de l'oscilloscope RTO 1004 pour mesurer l'ampleur du champ magnétique de fuite à 3 mm au-dessus et sur le côté de l'inducteur estampé. Le tableau 4 répertorie la comparaison du champ magnétique de fuite de différents inducteurs de structure de boîtier. On peut voir que les inducteurs non blindés présentent les fuites magnétiques les plus graves ; les inducteurs estampés ont la plus petite fuite magnétique, montrant le meilleur effet de blindage magnétique. . La différence d'amplitude du champ magnétique de fuite des inducteurs de ces deux structures est d'environ 14 dB, soit près de 5 fois.

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Figure 10. L'amplitude du champ magnétique de fuite mesurée à 3 mm au-dessus et sur le côté de l'inducteur estampé

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Tableau 4. Comparaison du champ magnétique de fuite de différentes inductances de structure de boîtier

8. couplage

Dans certaines applications, il existe parfois plusieurs ensembles de convertisseurs CC sur le PCB, qui sont généralement disposés les uns à côté des autres, et leurs inductances correspondantes sont également disposées les unes à côté des autres. Si vous utilisez un type non blindé ou semi-blindé avec de la colle magnétique, les inducteurs peuvent être couplés les uns aux autres pour former des interférences EMI. Par conséquent, lors du placement de l'inducteur, il est recommandé de marquer d'abord la polarité de l'inducteur et de connecter le point de départ et d'enroulement de la couche la plus interne de l'inducteur à la tension de commutation du convertisseur, comme le VSW d'un convertisseur abaisseur, qui est le point mobile. La borne de sortie est connectée au condensateur de sortie, qui est le point statique ; l'enroulement du fil de cuivre forme donc un certain degré de protection contre les champs électriques. Dans la disposition de câblage du multiplexeur, la fixation de la polarité de l'inductance permet de fixer l'amplitude de l'inductance mutuelle et d'éviter certains problèmes EMI inattendus.

Applications :

Le chapitre précédent traitait du matériau du noyau, de la structure du boîtier et des caractéristiques électriques importantes de l'inducteur. Ce chapitre expliquera comment choisir la valeur d'inductance appropriée du convertisseur abaisseur et les considérations pour le choix d'une inductance disponible dans le commerce.

Comme le montre l'équation (5), la valeur de l'inductance et la fréquence de commutation du convertisseur affecteront le courant d'ondulation de l'inductance (ΔiL). Le courant d'ondulation de l'inducteur circulera à travers le condensateur de sortie et affectera le courant d'ondulation du condensateur de sortie. Par conséquent, cela affectera la sélection du condensateur de sortie et affectera davantage la taille de l'ondulation de la tension de sortie. De plus, la valeur de l'inductance et la valeur de la capacité de sortie affecteront également la conception de rétroaction du système et la réponse dynamique de la charge. Le choix d'une valeur d'inductance plus grande entraîne moins de contraintes de courant sur le condensateur, permet également de réduire l'ondulation de la tension de sortie et permet de stocker plus d'énergie. Cependant, une valeur d'inductance plus élevée indique un volume plus important, c'est-à-dire un coût plus élevé. Par conséquent, lors de la conception du convertisseur, la conception de la valeur de l'inductance est très importante.

(5)

Il ressort de la formule (5) que lorsque l'écart entre la tension d'entrée et la tension de sortie est plus grand, le courant d'ondulation de l'inducteur sera plus important, ce qui constitue le pire des cas de conception de l'inducteur. Couplé à d'autres analyses inductives, le point de conception de l'inductance du convertisseur abaisseur doit généralement être sélectionné dans les conditions de tension d'entrée maximale et de pleine charge.

Lors de la conception de la valeur de l'inductance, il est nécessaire de faire un compromis entre le courant d'ondulation de l'inducteur et la taille de l'inducteur, et le facteur de courant d'ondulation (facteur de courant d'ondulation ; γ) est défini ici, comme dans la formule (6).

（6）

En remplaçant la formule (6) par la formule (5), la valeur de l'inductance peut être exprimée par la formule (7).

（7）

Selon la formule (7), lorsque la différence entre la tension d'entrée et la tension de sortie est plus grande, la valeur γ peut être sélectionnée plus grande ; au contraire, si les tensions d'entrée et de sortie sont plus proches, la conception de la valeur γ doit être plus petite. Afin de choisir entre le courant d'ondulation de l'inducteur et la taille, selon la valeur d'expérience de conception traditionnelle, γ est généralement compris entre 0,2 et 0,5. Ce qui suit prend le RT7276 comme exemple pour illustrer le calcul de l'inductance et la sélection des inductances disponibles dans le commerce.

Exemple de conception : conçu avec un convertisseur abaisseur de rectification synchrone avancé à temps constant (Advanced Constant On-Time ; ACOTTM) RT7276, sa fréquence de commutation est de 700 kHz, la tension d'entrée est de 4,5 V à 18 V et la tension de sortie est de 1,05 V. . Le courant à pleine charge est de 3A. Comme mentionné ci-dessus, la valeur de l'inductance doit être conçue dans les conditions d'une tension d'entrée maximale de 18 V et d'une pleine charge de 3 A, la valeur de γ est prise comme 0,35 et la valeur ci-dessus est substituée dans l'équation (7), l'inductance la valeur est

Utilisez un inducteur avec une valeur d'inductance nominale conventionnelle de 1,5 µH. Remplacez la formule (5) pour calculer le courant d'ondulation de l'inducteur comme suit.

Par conséquent, le courant de crête de l’inducteur est

Et la valeur efficace du courant d'inductance (IRMS) est

Étant donné que la composante d'ondulation de l'inductance est petite, la valeur efficace du courant de l'inductance est principalement sa composante continue, et cette valeur efficace est utilisée comme base pour sélectionner le courant nominal de l'inductance IDC. Avec une conception de déclassement (déclassement) de 80 %, les exigences d'inductance sont :

L = 1,5 µH (100 kHz), IDC = 3,77 A, ISAT = 4,34 A

Le tableau 5 répertorie les inductances disponibles de différentes séries de TDK, de taille similaire mais de structure de boîtier différente. Le tableau montre que le courant de saturation et le courant nominal de l'inducteur estampé (SPM6530T-1R5M) sont importants, que la résistance thermique est faible et que la dissipation thermique est bonne. De plus, selon la discussion du chapitre précédent, le matériau du noyau de l'inducteur estampé est un noyau en poudre de fer, il est donc comparé au noyau de ferrite des inducteurs semi-blindés (VLS6045EX-1R5N) et blindés (SLF7055T-1R5N). avec de la colle magnétique. , A de bonnes caractéristiques de polarisation CC. La figure 11 montre la comparaison de l'efficacité de différents inducteurs appliqués au convertisseur abaisseur de rectification synchrone à temps constant avancé RT7276. Les résultats montrent que la différence d’efficacité entre les trois n’est pas significative. Si vous tenez compte des problèmes de dissipation thermique, de caractéristiques de polarisation CC et de dissipation du champ magnétique, il est recommandé d'utiliser des inducteurs SPM6530T-1R5M.

（5）

Tableau 5. Comparaison des inductances de différentes séries de TDK

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Figure 11. Comparaison de l'efficacité du convertisseur avec différents inducteurs

Si vous choisissez la même structure de boîtier et la même valeur d'inductance, mais des inductances de plus petite taille, telles que SPM4015T-1R5M (4,4 × 4,1 × 1,5 mm), bien que sa taille soit petite, mais la résistance CC RDC (44,5 mΩ) et la résistance thermique ΘTH ( 51˚C) /W) Plus grand. Pour des convertisseurs de mêmes spécifications, la valeur efficace du courant toléré par l'inductance est également la même. Évidemment, la résistance CC réduira l’efficacité sous forte charge. De plus, une grande résistance thermique signifie une mauvaise dissipation de la chaleur. Par conséquent, lors du choix d’un inducteur, il est non seulement nécessaire de prendre en compte les avantages d’une taille réduite, mais également d’évaluer les inconvénients qui l’accompagnent.

En conclusion

L'inductance est l'un des composants passifs couramment utilisés dans les convertisseurs de puissance à découpage, qui peut être utilisé pour le stockage et le filtrage de l'énergie. Cependant, dans la conception des circuits, il ne faut pas seulement prêter attention à la valeur de l'inductance, mais d'autres paramètres, notamment la résistance alternative et la valeur Q, la tolérance de courant, la saturation du noyau de fer et la structure du boîtier, etc., sont tous des paramètres qui doivent être pris en compte. être pris en compte lors du choix d’un inducteur. . Ces paramètres sont généralement liés au matériau du noyau, au processus de fabrication, ainsi qu'à la taille et au coût. Par conséquent, cet article présente les caractéristiques des différents matériaux de noyau de fer et comment choisir une inductance appropriée comme référence pour la conception de l'alimentation.