اخبار

خلاصه

سلف ها اجزای بسیار مهمی در مبدل های سوئیچینگ مانند ذخیره انرژی و فیلترهای قدرت هستند. سلف‌ها انواع مختلفی دارند، مانند کاربردهای مختلف (از فرکانس پایین تا فرکانس بالا)، یا مواد هسته‌ای مختلف که بر ویژگی‌های سلف تأثیر می‌گذارند و غیره. سلف های مورد استفاده در مبدل های سوئیچینگ، قطعات مغناطیسی با فرکانس بالا هستند. با این حال، به دلیل عوامل مختلفی مانند مواد، شرایط عملیاتی (مانند ولتاژ و جریان) و دمای محیط، ویژگی ها و تئوری های ارائه شده کاملاً متفاوت است. بنابراین، در طراحی مدار، علاوه بر پارامتر اصلی مقدار اندوکتانس، همچنان باید رابطه بین امپدانس سلف و مقاومت و فرکانس AC، تلفات هسته و مشخصات جریان اشباع و غیره در نظر گرفته شود. این مقاله چندین ماده مهم هسته سلف و ویژگی‌های آنها را معرفی می‌کند و همچنین مهندسان قدرت را برای انتخاب سلف‌های استاندارد موجود تجاری راهنمایی می‌کند.

پیشگفتار

سلف یک جزء القایی الکترومغناطیسی است که از سیم پیچی تعداد معینی سیم پیچ (کویل) روی یک بوبین یا هسته با یک سیم عایق تشکیل می شود. به این سیم پیچ، سیم پیچ القایی یا سلف می گویند. طبق اصل القای الکترومغناطیسی، زمانی که سیم پیچ و میدان مغناطیسی نسبت به یکدیگر حرکت می کنند، یا سیم پیچ یک میدان مغناطیسی متناوب از طریق یک جریان متناوب ایجاد می کند، یک ولتاژ القایی برای مقاومت در برابر تغییر میدان مغناطیسی اصلی ایجاد می شود. و این ویژگی مهار تغییر جریان را اندوکتانس می نامند.

فرمول مقدار اندوکتانس به صورت فرمول (1) است که متناسب با نفوذپذیری مغناطیسی، مربع سیم پیچ N و سطح مقطع مدار مغناطیسی معادل Ae است، و با طول مدار مغناطیسی معادل le نسبت معکوس دارد. . انواع زیادی از اندوکتانس وجود دارد که هر کدام برای کاربردهای مختلف مناسب هستند. اندوکتانس به شکل، اندازه، روش سیم پیچی، تعداد چرخش و نوع ماده مغناطیسی میانی مربوط می شود.

(1)

بسته به شکل هسته آهنی، اندوکتانس شامل حلقوی، هسته E و درام است. از نظر مواد هسته آهن، عمدتاً هسته سرامیکی و دو نوع مغناطیسی نرم وجود دارد. آنها فریت و پودر فلزی هستند. بسته به نوع ساختار یا روش بسته بندی، سیم زخمی، چند لایه و قالبی وجود دارد و سیم زخمی دارای چسب غیر محافظ و نیمی از چسب مغناطیسی شیلددار (نیمه محافظ) و شیلددار (شلددار) و غیره است.

سلف در جریان مستقیم مانند یک اتصال کوتاه عمل می کند و امپدانس بالایی را به جریان متناوب ارائه می دهد. کاربردهای اساسی در مدارها شامل خفگی، فیلتر کردن، تنظیم و ذخیره انرژی است. در کاربرد مبدل سوئیچینگ، سلف مهمترین جزء ذخیره انرژی است و با خازن خروجی یک فیلتر پایین گذر را تشکیل می دهد تا ریپل ولتاژ خروجی را کاهش دهد، بنابراین نقش مهمی در عملکرد فیلتر نیز دارد.

این مقاله به معرفی مواد مختلف هسته سلف ها و ویژگی های آنها و همچنین برخی از خصوصیات الکتریکی سلف ها به عنوان یک مرجع ارزیابی مهم برای انتخاب سلف ها در طراحی مدار می پردازد. در مثال کاربردی نحوه محاسبه مقدار اندوکتانس و نحوه انتخاب یک سلف استاندارد تجاری موجود از طریق مثال های کاربردی معرفی خواهد شد.

نوع مواد اصلی

سلف های مورد استفاده در مبدل های سوئیچینگ، قطعات مغناطیسی با فرکانس بالا هستند. مواد هسته در مرکز بیشتر بر ویژگی های سلف مانند امپدانس و فرکانس، مقدار و فرکانس اندوکتانس یا ویژگی های اشباع هسته تأثیر می گذارد. در ادامه مقایسه چند ماده هسته آهن رایج و ویژگی های اشباع آنها به عنوان مرجع مهم برای انتخاب سلف های قدرت معرفی می شود:

1. هسته سرامیکی

هسته سرامیکی یکی از مواد القایی رایج است. این عمدتا برای ارائه ساختار حمایتی مورد استفاده در هنگام سیم پیچی سیم پیچ استفاده می شود. به آن "سلف هسته هوا" نیز می گویند. از آنجایی که هسته آهنی مورد استفاده یک ماده غیر مغناطیسی با ضریب دمایی بسیار پایین است، مقدار اندوکتانس در محدوده دمای عملیاتی بسیار پایدار است. با این حال، به دلیل مواد غیر مغناطیسی به عنوان رسانه، اندوکتانس بسیار پایین است، که برای استفاده از مبدل های قدرت چندان مناسب نیست.

2. فریت

هسته فریت مورد استفاده در القاگرهای فرکانس بالا، یک ترکیب فریتی حاوی نیکل روی (NiZn) یا روی منگنز (MnZn) است که یک ماده مغناطیسی مغناطیسی نرم با اجبار کم است. شکل 1 منحنی پسماند (حلقه BH) یک هسته مغناطیسی عمومی را نشان می دهد. نیروی اجباری HC یک ماده مغناطیسی را نیروی اجباری نیز می نامند، به این معنی که وقتی ماده مغناطیسی به اشباع مغناطیسی مغناطیسی شده است، مغناطش (مغناطیس) آن به صفر کاهش می یابد. قدرت میدان مغناطیسی لازم در آن زمان. اجبار کمتر به معنای مقاومت کمتر در برابر مغناطیس زدایی و همچنین به معنای کاهش هیسترزیس است.

فریت های منگنز-روی و نیکل-روی دارای نفوذپذیری نسبی نسبتاً بالایی (μr)، به ترتیب حدود 1500-15000 و 100-1000 هستند. نفوذپذیری مغناطیسی بالای آنها باعث می شود که هسته آهنی در حجم مشخصی بالاتر رود. اندوکتانس. با این حال، نقطه ضعف آن این است که جریان اشباع قابل تحمل آن کم است و هنگامی که هسته آهن اشباع شود، نفوذپذیری مغناطیسی به شدت کاهش می یابد. برای روند کاهشی نفوذپذیری مغناطیسی هسته های فریت و آهن پودری در صورت اشباع شدن هسته آهنی، به شکل 4 مراجعه کنید. مقایسه. هنگام استفاده در سلف های قدرت، یک شکاف هوا در مدار مغناطیسی اصلی باقی می ماند که می تواند نفوذپذیری را کاهش دهد، از اشباع جلوگیری کند و انرژی بیشتری ذخیره کند. هنگامی که شکاف هوا را شامل می شود، تراوایی نسبی معادل می تواند حدود 20- بین 200 باشد. از آنجایی که مقاومت بالای خود ماده می تواند تلفات ناشی از جریان گردابی را کاهش دهد، در فرکانس های بالا تلفات کمتر است و مناسب تر است. ترانسفورماتورهای فرکانس بالا، سلف های فیلتر EMI و سلف های ذخیره انرژی مبدل های قدرت. از نظر فرکانس کاری، فریت نیکل روی برای استفاده (> 1 مگاهرتز) مناسب است، در حالی که فریت منگنز و روی برای باندهای فرکانس پایین (<2 مگاهرتز) مناسب است.

1

شکل 1. منحنی پسماند هسته مغناطیسی (BR: پسماند؛ BSAT: چگالی شار مغناطیسی اشباع)

3. هسته آهن پودری

هسته های آهن پودری نیز مواد فرومغناطیسی نرم مغناطیسی هستند. آنها از آلیاژهای پودر آهن از مواد مختلف یا فقط پودر آهن ساخته می شوند. فرمول حاوی مواد غیر مغناطیسی با اندازه ذرات مختلف است، بنابراین منحنی اشباع نسبتا ملایم است. هسته آهن پودری عمدتا حلقوی است. شکل 2 هسته آهن پودری و نمای مقطع آن را نشان می دهد.

هسته های پودری معمولی آهن شامل آلیاژ آهن-نیکل-مولیبدن (MPP)، sendust (Sendust)، آلیاژ آهن-نیکل (شار بالا) و هسته پودر آهن (پودر آهن) است. به دلیل اجزای مختلف، ویژگی ها و قیمت های آن نیز متفاوت است که بر انتخاب سلف ها تأثیر می گذارد. در ادامه به معرفی انواع هسته های فوق الذکر و مقایسه ویژگی های آنها می پردازیم:

الف. آلیاژ آهن-نیکل-مولیبدن (MPP)

آلیاژ Fe-Ni-Mo به اختصار MPP است که مخفف پودر مولیپرمالوی است. نفوذپذیری نسبی حدود 14-500 و چگالی شار مغناطیسی اشباع حدود 7500 گاوس (گاوس) است که از چگالی شار مغناطیسی اشباع فریت (حدود 4000-5000 گاوس) بیشتر است. خیلی ها بیرون. MPP کمترین تلفات آهن را دارد و بهترین پایداری دما را در بین هسته های آهن پودری دارد. هنگامی که جریان DC خارجی به جریان اشباع ISAT می رسد، مقدار اندوکتانس به آرامی بدون تضعیف ناگهانی کاهش می یابد. MPP عملکرد بهتری دارد اما هزینه بالاتری دارد و معمولا به عنوان سلف قدرت و فیلتر EMI برای مبدل های قدرت استفاده می شود.

B. Sendust

هسته آهن آلیاژی آهن-سیلیکون-آلومینیوم یک هسته آهن آلیاژی متشکل از آهن، سیلیکون و آلومینیوم با نفوذپذیری مغناطیسی نسبی در حدود 26 تا 125 است. تلفات آهن بین هسته پودر آهن و MPP و آلیاژ آهن نیکل است. . چگالی شار مغناطیسی اشباع بالاتر از MPP، حدود 10500 گاوس است. پایداری دما و ویژگی های جریان اشباع کمی پایین تر از MPP و آلیاژ آهن نیکل است، اما بهتر از هسته پودر آهن و هسته فریت است و هزینه نسبی ارزان تر از MPP و آلیاژ آهن نیکل است. این بیشتر در فیلتر EMI، مدارهای تصحیح ضریب توان (PFC) و سلف های قدرت مبدل های قدرت سوئیچینگ استفاده می شود.

ج. آلیاژ آهن نیکل (شار بالا)

هسته آلیاژ آهن نیکل از آهن و نیکل ساخته شده است. نفوذپذیری مغناطیسی نسبی حدود 14-200 است. تلفات آهن و پایداری دما بین MPP و آلیاژ آهن-سیلیکون-آلومینیوم است. هسته آلیاژ آهن نیکل دارای بالاترین چگالی شار مغناطیسی اشباع، حدود 15000 گاوس است و می تواند جریان های بایاس DC بالاتری را تحمل کند و ویژگی های بایاس DC آن نیز بهتر است. دامنه کاربرد: تصحیح ضریب توان فعال، اندوکتانس ذخیره انرژی، اندوکتانس فیلتر، ترانسفورماتور فرکانس بالا مبدل فلایبک و غیره.

د- پودر آهن

هسته پودر آهن از ذرات پودر آهن با خلوص بالا با ذرات بسیار ریز که از یکدیگر عایق هستند ساخته شده است. فرآیند تولید باعث می شود که دارای یک شکاف هوای توزیع شده باشد. علاوه بر شکل حلقه، اشکال هسته پودر آهن رایج نیز دارای انواع E-type و مهر زنی هستند. نفوذپذیری مغناطیسی نسبی هسته پودر آهن حدود 10 تا 75 است و چگالی شار مغناطیسی اشباع بالا حدود 15000 گاوس است. در بین هسته های آهن پودری، هسته پودر آهن بیشترین تلفات آهن را دارد اما کمترین هزینه را دارد.

شکل 3 منحنی BH فریت منگنز-روی PC47 تولید شده توسط TDK و هسته های آهن پودری -52 و -2 ساخته شده توسط MICROMETALS را نشان می دهد. نفوذپذیری مغناطیسی نسبی فریت منگنز روی بسیار بالاتر از هسته های آهن پودری است و اشباع شده است. چگالی شار مغناطیسی نیز بسیار متفاوت است، فریت حدود 5000 گاوس و هسته پودر آهن بیش از 10000 گاوس است.

3

شکل 3. منحنی BH منگنز-روی فریت و هسته پودر آهن از مواد مختلف

به طور خلاصه، ویژگی های اشباع هسته آهن متفاوت است. هنگامی که جریان اشباع بیش از حد شود، نفوذپذیری مغناطیسی هسته فریت به شدت کاهش می یابد، در حالی که هسته پودر آهن می تواند به آرامی کاهش یابد. شکل 4 ویژگی های افت نفوذپذیری مغناطیسی یک هسته آهن پودری با نفوذپذیری مغناطیسی یکسان و یک فریت با شکاف هوا تحت قدرت های مختلف میدان مغناطیسی را نشان می دهد. این همچنین اندوکتانس هسته فریت را توضیح می دهد، زیرا نفوذپذیری هنگامی که هسته اشباع می شود به شدت کاهش می یابد، همانطور که از رابطه (1) می توان دید، همچنین باعث کاهش شدید اندوکتانس می شود. در حالی که هسته پودر با شکاف هوای توزیع شده، نفوذپذیری مغناطیسی سرعت به آرامی کاهش می یابد زمانی که هسته آهن اشباع می شود، بنابراین اندوکتانس به آرامی کاهش می یابد، یعنی ویژگی های بایاس DC بهتری دارد. در کاربرد مبدل های قدرت، این ویژگی بسیار مهم است. اگر مشخصه اشباع کند سلف خوب نباشد، جریان سلف تا جریان اشباع افزایش می‌یابد و افت ناگهانی اندوکتانس باعث می‌شود که تنش جریان کریستال سوئیچینگ به شدت بالا برود که به راحتی باعث آسیب می‌شود.

4

شکل 4. ویژگی های افت نفوذپذیری مغناطیسی هسته آهن پودری و هسته آهن فریت با شکاف هوا تحت قدرت میدان مغناطیسی متفاوت.

مشخصات الکتریکی سلف و ساختار بسته

هنگام طراحی مبدل سوئیچینگ و انتخاب یک سلف، مقدار اندوکتانس L، امپدانس Z، مقاومت AC ACR و مقدار Q (ضریب کیفیت)، جریان نامی IDC و ISAT، و تلفات هسته (اتلاف هسته) و سایر مشخصات الکتریکی مهم باید باشند. در نظر گرفته شود. علاوه بر این، ساختار بسته بندی سلف بر میزان نشت مغناطیسی تأثیر می گذارد که به نوبه خود بر EMI تأثیر می گذارد. در ادامه ویژگی های ذکر شده در بالا را به عنوان ملاحظاتی برای انتخاب سلف ها به طور جداگانه مورد بحث قرار خواهد داد.

1. مقدار اندوکتانس (L)

مقدار اندوکتانس یک سلف مهمترین پارامتر اساسی در طراحی مدار است، اما باید بررسی شود که آیا مقدار اندوکتانس در فرکانس کاری پایدار است یا خیر. مقدار اسمی اندوکتانس معمولاً در 100 کیلوهرتز یا 1 مگاهرتز بدون بایاس DC خارجی اندازه گیری می شود. و برای اطمینان از امکان تولید خودکار انبوه، تحمل سلف معمولاً ± 20٪ (M) و ± 30٪ (N) است. شکل 5 نمودار مشخصه فرکانس القایی سلف Taiyo Yuden NR4018T220M است که با LCR متر Wayne Kerr اندازه گیری شده است. همانطور که در شکل نشان داده شده است، منحنی مقدار اندوکتانس قبل از 5 مگاهرتز نسبتاً مسطح است و مقدار اندوکتانس را تقریباً می توان به عنوان یک ثابت در نظر گرفت. در باند فرکانس بالا به دلیل رزونانس ایجاد شده توسط خازن و اندوکتانس انگلی، مقدار اندوکتانس افزایش می یابد. این فرکانس تشدید را فرکانس خود تشدید (SRF) می نامند که معمولاً باید بسیار بیشتر از فرکانس کاری باشد.

5

شکل 5، نمودار اندازه گیری مشخصه فرکانس القایی تایو یودن NR4018T220M

2. امپدانس (Z)

همانطور که در شکل 6 نشان داده شده است، نمودار امپدانس را می توان از عملکرد اندوکتانس در فرکانس های مختلف نیز مشاهده کرد. امپدانس سلف تقریباً متناسب با فرکانس است (Z=2πfL)، بنابراین هرچه فرکانس بالاتر باشد، راکتانس بسیار بزرگتر از مقاومت AC خواهد بود، بنابراین امپدانس مانند یک اندوکتانس خالص رفتار می کند (فاز 90 درجه است). در فرکانس های بالا، به دلیل اثر خازنی انگلی، نقطه فرکانس خود تشدید امپدانس قابل مشاهده است. پس از این نقطه، امپدانس کاهش می یابد و خازنی می شود و فاز به تدریج به -90 درجه تغییر می کند.

6

3. مقدار Q و مقاومت AC (ACR)

مقدار Q در تعریف اندوکتانس، نسبت راکتانس به مقاومت است، یعنی نسبت بخش خیالی به قسمت واقعی امپدانس، مانند فرمول (2).

(2)

که در آن XL راکتانس سلف است و RL مقاومت AC سلف است.

در محدوده فرکانس پایین، مقاومت AC بزرگتر از راکتانس ناشی از اندوکتانس است، بنابراین مقدار Q آن بسیار پایین است. با افزایش فرکانس، راکتانس (حدود 2πfL) بزرگتر و بزرگتر می شود، حتی اگر مقاومت ناشی از اثر پوستی (اثر پوستی) و اثر مجاورتی (نزدیکی)) اثر بزرگتر و بزرگتر می شود، و مقدار Q همچنان با فرکانس افزایش می یابد. ; هنگام نزدیک شدن به SRF، راکتانس القایی به تدریج با راکتانس خازنی جبران می شود و مقدار Q به تدریج کوچکتر می شود. وقتی SRF صفر می شود، زیرا راکتانس القایی و راکتانس خازنی کاملاً یکسان هستند ناپدید می شوند. شکل 7 رابطه بین مقدار Q و فرکانس NR4018T220M را نشان می دهد و این رابطه به شکل یک زنگ معکوس است.

7

شکل 7. رابطه بین مقدار Q و فرکانس سلف Taiyo Yuden NR4018T220M

در باند فرکانس کاربرد اندوکتانس، هر چه مقدار Q بالاتر باشد، بهتر است. یعنی راکتانس آن بسیار بیشتر از مقاومت AC است. به طور کلی، بهترین مقدار Q بالای 40 است، به این معنی که کیفیت سلف خوب است. با این حال، به طور کلی با افزایش بایاس DC، مقدار اندوکتانس کاهش می یابد و مقدار Q نیز کاهش می یابد. اگر از سیم مسطح لعابی یا سیم مینای چند رشته ای استفاده شود، می توان اثر پوستی، یعنی مقاومت AC را کاهش داد و مقدار Q سلف را نیز افزایش داد.

مقاومت DC DCR به طور کلی به عنوان مقاومت DC سیم مسی در نظر گرفته می شود و مقاومت را می توان با توجه به قطر و طول سیم محاسبه کرد. با این حال، بیشتر القاگرهای SMD جریان پایین از جوش اولتراسونیک برای ساخت ورق مسی SMD در ترمینال سیم پیچی استفاده می کنند. با این حال، از آنجایی که سیم مسی طولی ندارد و مقدار مقاومت آن بالا نیست، مقاومت جوش اغلب بخش قابل توجهی از مقاومت کلی DC را تشکیل می دهد. به عنوان مثال، القاگر SMD سیم پیچ TDK CLF6045NIT-1R5N، مقاومت DC اندازه گیری شده 14.6mΩ است و مقاومت DC محاسبه شده بر اساس قطر و طول سیم 12.1mΩ است. نتایج نشان می دهد که این مقاومت جوشکاری حدود 17 درصد از مقاومت کلی DC را تشکیل می دهد.

مقاومت AC ACR دارای اثر پوستی و اثر مجاورتی است که باعث افزایش فرکانس ACR می شود. در کاربرد اندوکتانس عمومی، چون جزء AC بسیار کمتر از جزء DC است، تأثیر ناشی از ACR آشکار نیست. اما در بار سبک، چون جزء DC کاهش می یابد، تلفات ناشی از ACR را نمی توان نادیده گرفت. اثر پوستی به این معنی است که در شرایط AC، توزیع جریان در داخل هادی ناهموار و بر روی سطح سیم متمرکز است و در نتیجه سطح مقطع سیم معادل کاهش می‌یابد که به نوبه خود مقاومت معادل سیم را افزایش می‌دهد. فرکانس علاوه بر این، در سیم پیچی سیم، سیم های مجاور باعث اضافه و تفریق میدان های مغناطیسی در اثر جریان می شوند، به طوری که جریان بر روی سطح مجاور سیم (یا دورترین سطح بسته به جهت جریان) متمرکز می شود. ) که باعث قطع سیم معادل می شود. پدیده ای که مساحت کاهش می یابد و مقاومت معادل آن افزایش می یابد، به اصطلاح اثر مجاورتی است. در کاربرد اندوکتانسی یک سیم پیچ چند لایه، اثر مجاورت حتی آشکارتر است.

8

شکل 8 رابطه بین مقاومت AC و فرکانس سلف سیم سیم پیچ SMD NR4018T220M را نشان می دهد. در فرکانس 1 کیلوهرتز، مقاومت حدود 360mΩ است. در 100kHz، مقاومت به 775mΩ افزایش می یابد. در 10 مگاهرتز، مقدار مقاومت نزدیک به 160Ω است. هنگام تخمین تلفات مس، محاسبه باید ACR ناشی از اثرات پوستی و مجاورت را در نظر گرفته و آن را به فرمول (3) تغییر دهد.

4. جریان اشباع (ISAT)

جریان اشباع ISAT معمولاً جریان بایاس است که وقتی مقدار اندوکتانس تضعیف می شود مانند 10٪، 30٪ یا 40٪ مشخص می شود. برای فریت شکاف هوا، به دلیل اینکه مشخصه جریان اشباع آن بسیار سریع است، تفاوت زیادی بین 10٪ و 40٪ وجود ندارد. به شکل 4 مراجعه کنید. با این حال، اگر یک هسته پودر آهنی باشد (مانند یک سلف مهر شده)، منحنی اشباع نسبتا ملایم است، همانطور که در شکل 9 نشان داده شده است، جریان بایاس در 10٪ یا 40٪ تضعیف اندوکتانس بسیار است. متفاوت است، بنابراین مقدار جریان اشباع به طور جداگانه برای دو نوع هسته آهنی به شرح زیر مورد بحث قرار خواهد گرفت.

برای فریت شکاف هوا، منطقی است که از ISAT به عنوان حد بالایی حداکثر جریان سلف برای کاربردهای مدار استفاده شود. اما اگر یک هسته پودر آهنی باشد، به دلیل مشخصه اشباع کند، مشکلی وجود نخواهد داشت حتی اگر حداکثر جریان مدار کاربردی از ISAT بیشتر باشد. بنابراین، این مشخصه هسته آهنی برای کاربردهای مبدل سوئیچینگ مناسب است. تحت بار سنگین، اگرچه مقدار اندوکتانس سلف کم است، همانطور که در شکل 9 نشان داده شده است، ضریب ریپل جریان بالا است، اما تحمل جریان خازن جریان بالا است، بنابراین مشکلی ایجاد نخواهد شد. تحت بار سبک، مقدار اندوکتانس سلف بزرگتر است، که به کاهش جریان موج دار شدن سلف کمک می کند و در نتیجه اتلاف آهن را کاهش می دهد. شکل 9 منحنی جریان اشباع فریت زخمی TDK SLF7055T1R5N و سلف هسته پودر آهن مهر شده SPM6530T1R5M را تحت همان مقدار اسمی اندوکتانس مقایسه می کند.

9

شکل 9. منحنی جریان اشباع فریت زخم و هسته پودر آهن مهر شده تحت همان مقدار اسمی اندوکتانس

5. جریان نامی (IDC)

مقدار IDC بایاس DC زمانی است که دمای سلف به Tr˚C افزایش یابد. مشخصات همچنین مقدار مقاومت DC آن RDC را در 20 درجه سانتیگراد نشان می دهد. با توجه به ضریب دمایی سیم مسی در حدود 3930 ppm است که با افزایش دمای Tr مقدار مقاومت آن RDC_Tr = RDC (1+0.00393Tr) و توان مصرفی آن PCU = I2DCxRDC است. این تلفات مس روی سطح سلف پخش می شود و مقاومت حرارتی ΘTH سلف را می توان محاسبه کرد:

(2)

جدول 2 به برگه داده سری TDK VLS6045EX (6.0×6.0×4.5 میلی متر) اشاره دارد و مقاومت حرارتی را در افزایش دمای 40 درجه سانتی گراد محاسبه می کند. بدیهی است که برای سلف های با سری و اندازه یکسان، مقاومت حرارتی محاسبه شده به دلیل مساحت اتلاف حرارت یکسان تقریباً یکسان است. به عبارت دیگر، IDC جریان نامی سلف های مختلف را می توان تخمین زد. سری (بسته) های مختلف سلف دارای مقاومت حرارتی متفاوتی هستند. جدول 3 مقاومت حرارتی سلف های سری TDK VLS6045EX (نیمه محافظ) و سری SPM6530 (قالب شده) را مقایسه می کند. هر چه مقاومت حرارتی بزرگتر باشد، هنگام عبور القایی از جریان بار، افزایش دما بیشتر می شود. در غیر این صورت، پایین تر.

(2)

جدول 2. مقاومت حرارتی سلف های سری VLS6045EX در افزایش دمای 40 درجه سانتی گراد

از جدول 3 می توان دریافت که حتی اگر اندازه سلف ها مشابه باشد، مقاومت حرارتی سلف های مهر شده کم است، یعنی اتلاف گرما بهتر است.

(3)

جدول 3. مقایسه مقاومت حرارتی سلف های مختلف پکیج.

6. از دست دادن هسته

از دست دادن هسته، که به عنوان از دست دادن آهن شناخته می شود، عمدتاً به دلیل از دست دادن جریان گردابی و از دست دادن هیسترزیس ایجاد می شود. اندازه تلفات جریان گردابی عمدتاً به این بستگی دارد که آیا ماده هسته به راحتی "رسانا" است یا خیر. اگر رسانایی زیاد باشد یعنی مقاومت کم باشد تلفات جریان گردابی زیاد است و اگر مقاومت فریت زیاد باشد تلفات جریان گردابی نسبتاً کم است. از دست دادن جریان گردابی نیز به فرکانس مربوط می شود. هر چه فرکانس بیشتر باشد، تلفات جریان گردابی بیشتر است. بنابراین، مواد هسته فرکانس عملکرد مناسب هسته را تعیین می کند. به طور کلی، فرکانس کاری هسته پودر آهن می تواند به 1 مگاهرتز برسد و فرکانس کاری فریت می تواند به 10 مگاهرتز برسد. اگر فرکانس کاری از این فرکانس بیشتر شود، تلفات جریان گردابی به سرعت افزایش می یابد و دمای هسته آهن نیز افزایش می یابد. با این حال، با توسعه سریع مواد هسته‌ای آهنی، هسته‌های آهنی با فرکانس‌های عملیاتی بالاتر باید در گوشه و کنار باشند.

یکی دیگر از تلفات آهن، تلفات پسماند است که متناسب با ناحیه محصور شده توسط منحنی پسماند است که مربوط به دامنه نوسان مولفه AC جریان است. هر چه نوسان AC بیشتر باشد، از دست دادن هیسترزیس بیشتر است.

در مدار معادل یک سلف، اغلب از مقاومتی که به صورت موازی با سلف متصل است برای بیان تلفات آهن استفاده می شود. وقتی فرکانس برابر با SRF باشد، راکتانس القایی و راکتانس خازنی خنثی می‌شوند و راکتانس معادل صفر می‌شود. در این زمان، امپدانس سلف معادل مقاومت تلفات آهن به صورت سری با مقاومت سیم‌پیچ است و مقاومت تلفات آهن بسیار بزرگتر از مقاومت سیم‌پیچ است، بنابراین امپدانس در SRF تقریباً برابر با مقاومت تلفات آهن است. با در نظر گرفتن یک سلف ولتاژ پایین به عنوان مثال، مقاومت اتلاف آهن آن حدود 20 کیلو اهم است. اگر مقدار موثر ولتاژ در هر دو انتهای سلف 5 ولت تخمین زده شود، تلفات آهن آن حدود 1.25 میلی وات است، که همچنین نشان می دهد که هر چه مقاومت تلفات آهن بیشتر باشد، بهتر است.

7. ساختار سپر

ساختار بسته بندی سلف های فریتی شامل غیر محافظ، نیمه محافظ با چسب مغناطیسی و شیلددار است که در هر یک از آنها شکاف هوایی قابل توجهی وجود دارد. بدیهی است که شکاف هوا دارای نشت مغناطیسی خواهد بود و در بدترین حالت با مدارهای سیگنال کوچک اطراف تداخل پیدا می کند و یا در صورت وجود ماده مغناطیسی در مجاورت، اندوکتانس آن نیز تغییر می کند. ساختار بسته بندی دیگر یک سلف پودر آهن مهر شده است. از آنجایی که هیچ شکافی در داخل سلف وجود ندارد و ساختار سیم پیچ جامد است، مشکل اتلاف میدان مغناطیسی نسبتاً کوچک است. شکل 10 استفاده از تابع FFT اسیلوسکوپ RTO 1004 برای اندازه گیری بزرگی میدان مغناطیسی نشتی در 3 میلی متر بالا و در سمت سلف مهر شده است. جدول 4 مقایسه میدان مغناطیسی نشتی سلف های ساختار بسته بندی مختلف را فهرست می کند. مشاهده می شود که سلف های بدون محافظ دارای جدی ترین نشت مغناطیسی هستند. سلف های مهر و موم شده دارای کمترین نشت مغناطیسی هستند که بهترین اثر محافظ مغناطیسی را نشان می دهند. . تفاوت بزرگی میدان مغناطیسی نشتی سلف های این دو سازه حدود 14 دسی بل است که نزدیک به 5 برابر است.

10

شکل 10. بزرگی میدان مغناطیسی نشتی اندازه گیری شده در 3 میلی متر بالا و در سمت سلف مهر شده

(4)

جدول 4. مقایسه میدان مغناطیسی نشتی سلف های مختلف ساختار پکیج

8. جفت شدن

در برخی از کاربردها، گاهی اوقات چندین مجموعه مبدل DC روی PCB وجود دارد که معمولاً در کنار یکدیگر قرار می گیرند و سلف های مربوط به آنها نیز در کنار یکدیگر قرار می گیرند. اگر از نوع غیر محافظ یا نیمه محافظ با چسب مغناطیسی استفاده می کنید، ممکن است سلف ها با یکدیگر جفت شوند تا تداخل EMI ایجاد کنند. بنابراین، هنگام قرار دادن سلف، توصیه می شود ابتدا قطبیت سلف را علامت گذاری کنید و نقطه شروع و سیم پیچ داخلی ترین لایه سلف را به ولتاژ سوئیچینگ مبدل مانند VSW مبدل باک وصل کنید. که نقطه حرکت است. ترمینال خروجی به خازن خروجی متصل است که نقطه استاتیک است. بنابراین سیم‌پیچ مسی درجه خاصی از حفاظ میدان الکتریکی را تشکیل می‌دهد. در آرایش سیم‌کشی مالتی پلکسر، تثبیت قطبیت اندوکتانس کمک می‌کند تا بزرگی اندوکتانس متقابل را ثابت کرده و از برخی مشکلات غیرمنتظره EMI جلوگیری کند.

برنامه های کاربردی:

فصل قبل مواد هسته، ساختار بسته و ویژگی های الکتریکی مهم سلف را مورد بحث قرار داد. این فصل نحوه انتخاب مقدار اندوکتانس مناسب مبدل باک و ملاحظات انتخاب یک سلف تجاری موجود را توضیح خواهد داد.

همانطور که در رابطه (5) نشان داده شده است، مقدار سلف و فرکانس سوئیچینگ مبدل بر جریان موج دار سلف (ΔiL) تاثیر می گذارد. جریان موج دار سلف از طریق خازن خروجی جریان می یابد و بر جریان موج دار خازن خروجی تأثیر می گذارد. بنابراین، بر انتخاب خازن خروجی تأثیر می گذارد و بیشتر بر اندازه موج دار شدن ولتاژ خروجی تأثیر می گذارد. علاوه بر این، مقدار اندوکتانس و مقدار خازن خروجی نیز بر طراحی بازخورد سیستم و پاسخ دینامیکی بار تأثیر می‌گذارد. انتخاب یک مقدار اندوکتانس بزرگتر فشار جریان کمتری بر خازن دارد و همچنین برای کاهش موج ولتاژ خروجی مفید است و می تواند انرژی بیشتری را ذخیره کند. با این حال، مقدار اندوکتانس بزرگتر نشان دهنده حجم بیشتر، یعنی هزینه بالاتر است. بنابراین، هنگام طراحی مبدل، طراحی مقدار اندوکتانس بسیار مهم است.

(5)

از فرمول (5) می توان دریافت که وقتی شکاف بین ولتاژ ورودی و ولتاژ خروجی بیشتر باشد، جریان موج دار سلف بیشتر خواهد بود که بدترین حالت طراحی سلف است. همراه با سایر تحلیل های القایی، نقطه طراحی اندوکتانس مبدل کاهنده معمولاً باید تحت شرایط حداکثر ولتاژ ورودی و بار کامل انتخاب شود.

هنگام طراحی مقدار اندوکتانس، لازم است بین جریان ریپل سلف و اندازه سلف یک مبادله ایجاد شود و ضریب جریان موج دار (ضریب جریان موج دار؛ γ) در اینجا مانند فرمول (6) تعریف شده است.

(6)

با جایگزینی فرمول (6) به فرمول (5)، مقدار اندوکتانس را می توان به صورت فرمول (7) بیان کرد.

(7)

طبق فرمول (7)، زمانی که اختلاف بین ولتاژ ورودی و خروجی بزرگتر باشد، مقدار γ را می توان بزرگتر انتخاب کرد. برعکس، اگر ولتاژ ورودی و خروجی نزدیکتر باشند، طراحی مقدار γ باید کوچکتر باشد. به منظور انتخاب بین جریان موج دار سلف و اندازه، با توجه به مقدار تجربه طراحی سنتی، γ معمولاً 0.2 تا 0.5 است. در زیر RT7276 را به عنوان مثال برای نشان دادن محاسبه اندوکتانس و انتخاب سلف های تجاری موجود در نظر می گیریم.

مثال طراحی: طراحی شده با مبدل گام به پایین اصلاح همزمان پیشرفته RT7276 (Advanced Constant On-Time; ACOTTM)، فرکانس سوئیچینگ آن 700 کیلوهرتز، ولتاژ ورودی 4.5 ولت تا 18 ولت و ولتاژ خروجی 1.05 ولت است. . جریان بار کامل 3A است. همانطور که در بالا ذکر شد، مقدار اندوکتانس باید تحت شرایط حداکثر ولتاژ ورودی 18 ولت و بار کامل 3 آمپر طراحی شود، مقدار γ 0.35 در نظر گرفته شود و مقدار فوق به معادله (7)، اندوکتانس جایگزین شود. ارزش است

از یک سلف با مقدار اندوکتانس اسمی معمولی 1.5 µH استفاده کنید. برای محاسبه جریان موجی سلف، فرمول (5) را به صورت زیر جایگزین کنید.

بنابراین پیک جریان سلف است

و مقدار موثر جریان سلف (IRMS) است

از آنجایی که مولفه موج دار سلف کوچک است، مقدار مؤثر جریان سلف عمدتاً جزء DC آن است و این مقدار مؤثر به عنوان مبنایی برای انتخاب جریان نامی سلف IDC استفاده می شود. با طراحی 80٪ کاهش (Dating) الزامات اندوکتانس عبارتند از:

L = 1.5 µH (100 kHz)، IDC = 3.77 A، ISAT = 4.34 A

جدول 5 سلف های موجود سری های مختلف TDK را، از نظر اندازه مشابه اما در ساختار بسته بندی متفاوت، فهرست می کند. از جدول می توان دریافت که جریان اشباع و جریان نامی سلف مهر شده (SPM6530T-1R5M) زیاد است و مقاومت حرارتی کوچک و اتلاف گرما خوب است. علاوه بر این، با توجه به بحث در فصل قبل، مواد هسته سلف مهر خورده، هسته پودر آهن است، بنابراین با هسته فریت سلف های نیمه محافظ (VLS6045EX-1R5N) و محافظ (SLF7055T-1R5N) مقایسه می شود. با چسب مغناطیسی ، دارای ویژگی های بایاس DC خوب است. شکل 11 مقایسه کارایی سلف های مختلف اعمال شده در مبدل کاهنده گام به پایین یکسوسازی سنکرون ثابت پیشرفته RT7276 را نشان می دهد. نتایج نشان می دهد که تفاوت کارایی بین سه مورد معنی دار نیست. اگر اتلاف گرما، ویژگی های بایاس DC و مسائل اتلاف میدان مغناطیسی را در نظر می گیرید، توصیه می شود از سلف های SPM6530T-1R5M استفاده کنید.

(5)

جدول 5. مقایسه اندوکتانس سری های مختلف TDK

11

شکل 11. مقایسه بازده مبدل با سلف های مختلف

اگر همان ساختار بسته و مقدار اندوکتانس را انتخاب کنید، اما سلف‌هایی با اندازه کوچک‌تر، مانند SPM4015T-1R5M (4.4×4.1×1.5mm)، اگرچه اندازه آن کوچک است، اما مقاومت DC RDC (44.5mΩ) و مقاومت حرارتی ΘTH ( 51˚C) / W) بزرگتر. برای مبدل هایی با مشخصات یکسان، مقدار موثر جریان تحمل شده توسط سلف نیز یکسان است. بدیهی است که مقاومت DC باعث کاهش راندمان تحت بار سنگین می شود. علاوه بر این، مقاومت حرارتی زیاد به معنای اتلاف حرارت ضعیف است. بنابراین، هنگام انتخاب سلف، نه تنها باید مزایای کاهش اندازه را در نظر گرفت، بلکه کاستی های همراه آن را نیز ارزیابی کرد.

در نتیجه

اندوکتانس یکی از اجزای غیرفعال رایج در مبدل های برق سوئیچینگ است که می تواند برای ذخیره انرژی و فیلتر کردن استفاده شود. با این حال، در طراحی مدار، تنها مقدار اندوکتانس نیست که باید به آن توجه شود، بلکه پارامترهای دیگری از جمله مقاومت AC و مقدار Q، تحمل جریان، اشباع هسته آهن، و ساختار بسته و غیره همگی پارامترهایی هستند که باید هنگام انتخاب سلف مورد توجه قرار گیرد. . این پارامترها معمولاً به مواد اصلی، فرآیند ساخت و اندازه و هزینه مربوط می شوند. بنابراین، این مقاله به معرفی ویژگی های مواد مختلف هسته آهنی و نحوه انتخاب یک اندوکتانس مناسب به عنوان مرجع طراحی منبع تغذیه می پردازد.