Тяговые двигатели и трансформаторы — это магнитные компоненты, которые, кажется, привлекают все внимание, но скромный индуктор/дроссель столь же критичен компонент в современных преобразователях мощности, и он оказывает удивительно глубокое влияние на производительность, надежность и стоимость. Еще одно соблазн для избитого инженера-дизайна (или, которое просто короткое время-но не все мы?) Заключается в том, что существуют многочисленные индукторы/дроссельные кроватки (коммерчески вне шельфа), что, как правило, не относится к трансформаторам, и выбирая часть ктовт. количества.
Скромный индуктор/дроссель является критически важным компонентом в современных конвертерах мощности, и он оказывает удивительно глубокое влияние на производительность, надежность и стоимость.
Тем не менее, это не освобождает инженера -проектировщика от проверки пригодности компонента COTS в данном приложении, поскольку последнее, что вы хотите, на то, чтобы компонент, который вы едва проверяете, чтобы стать оккультным источником неэффективности, ненадежности или того, что наиболее страшно из -за результатов: привести к тому, что устройство провалит тестирование на соответствие на электромагниционном соответствии (EMC).
В то время как дроссель технически является специфическим типом индуктора (один, который может обрабатывать значительное смещение постоянного тока перед полным насыщением), этот термин часто подвергается злоупотреблению (например, «общий дух режима», обнаруженный практически во всех сетевых фильтрах переменного тока, никогда не видит DC, поэтому он не является удушьем). Поэтому, вероятно, лучше относиться к терминам индуктор и душить как взаимозаменяемый. Тем не менее, индукторы широко используются для трех основных функций в EVS: в обычных фильтрационных сетях LC с низким уровнем частоты для производства (разумно) чистых выходов DC в конвертерах питания SwitchMode; В настраиваемых (ака-резонансных) LC Networks, либо в топологиях явно резонансных преобразователей, либо для сокращения потерь во время переходов в топологиях ШИМ (он же квазирезонанс или мягкое переключение); и в EMI фильтры для блокировки излучения (или приема) радиочастотного шума.
Эти приложения предъявляют очень разные требования к индукторам, следовательно, более раннее предупреждение о том, что только потому, что вы можете получить одну кроватку, не обязательно означает, что он будет работать так хорошо в конкретной части схемы, в которую вы его бросили.
Конструкция плоской проволоки Edgewound предпочтительнее при более высоких рейтингах тока, особенно на умеренных частотах переключения при 150 кГц.
Подавляющее большинство индукторов, используемых в преобразователях мощности, независимо от топологии, будет иметь ферромагнитное ядро, то есть не простая катушка провода, и большую часть времени, что ядро будет в форме, так что магнитный поток от обмоток может следовать за полностью закрытой петлей (тороид является классическим примером здесь). Последняя функция может не понадобиться для функционирования схемы, но она является ключом, если вы хотите пройти тестирование соответствия EMC, потому что любые линии потока, которые не избегают ядра, обязательно вызывают проблемы с шумом в других местах.
Например, ныне насыщенные индукторы SMT-ядра, которые могут выглядеть идеально для использования в вспомогательных преобразователях с низким энергопотреблением, не имеют закрытого магнитного петля-линии потока должны проходить через воздух, чтобы завершить их схему, что может превратить эти маленькие дьяволы в миниатюрные «эминовые канины» (фактическое SOBRIQUET, которое я слышал, чтобы описать их). Выбор основной формы, которая закрывает петлю потока, является лишь частью битвы, поскольку другие параметры и цели дизайна часто являются взаимоисключающими, поэтому компромисс неизбежен. Например, основные материалы, которые оптимизированы для низких потерь переменного тока (гистерезис и вихрь), как правило, имеют более низкую плотность потока насыщения, поэтому потребуют большей площади основной области для заданной способности к обработке индуктивности и повышения мощности, что, в свою очередь, увеличивает количество бродячих емкости и так далее.
Основная функция серийного индуктора в выходном фильтре LC заключается в уменьшении количества волновой волны переменного тока, наблюдаемом шунтированным конденсатором, который следует за ним, не будучи также перегруженным постоянным током. Это увеличивает важность минимизации потерь постоянного тока обмоток из -за потерь переменного тока одинакового и ядра.
Один слой традиционного провода магнитов (с использованием нескольких прядей параллельно, если это необходимо, для достижения рейтинга целевого тока), как правило, будет работать хорошо. Также возможна (за счет более высокой емкости для нарушения) находится конструкция плоской проволоки с краевой раной — этот тип предпочтительнее при более высоких токах, особенно на частотах умеренной переключения (менее 150 кГц), хотя он имеет более высокую емкость в умеренной. Что касается самого ядра, здесь будет работать практически любой «питание» (в отличие от материалов, оптимизированных для RF/настроенных цепей или, что еще хуже, фильтры EMI), если есть либо явный, либо распределенный воздушный зазор для предотвращения насыщения от смещения DC.
Разрыв явного (то есть буквальный разрыв) в ферритовых ядрах, а ядра со стандартными длиной зазора доступны кроваткам от большинства производителей, хотя в указании пользовательского разрыва не хватает наказания, если вы купите их достаточное количество, и можете ждать их обработки, так как он требует алмазного инструмента для сокращения феррит. Обратите внимание, однако, что дискретный разрыв будет мощным излучателем EMI, поэтому он почти наверняка должен быть защищен обмотками (за счет увеличения потерь переменного тока в них), поэтому разрыв почти всегда врезается в центральную ногу (например) ядер для горшка или электронных форм; Пространство основных половинок может быть хорошим для прототипирования, но не для производства.
Ядра, используя смесь порошкообразного металла и связующего, обычно имеют распределенный зазор, который может быть отрегулирован производителем путем изменения отношения двух. Как и в случае ферритов, есть несколько стандартных пробелов (указанные косвенно через проницаемость), хотя здесь есть гораздо более высокий штраф за индивидуальные значения, поэтому он настоятельно рекомендуется придерживаться стандартных предложений.
Индукторы, используемые в настроенных (резонансных) LC Networks, не подвергаются каким-либо смещению DC, но обычно работают на гораздо более высоких частотах, что является одной из основных целей резонансной (или квази-ризонансной) операции, в конце концов. Следовательно, скорее больший акцент делается на минимизацию потерь переменного тока как в ядре, так и на обмотках из-за простого минимизации сопротивления обмотки, но с одним основным предостережением: циркулирующий ток в полностью резонансном преобразователе, работающем вблизи резонанса, будет значительно выше, чем фактический ток нагрузки (возможно, в несколько раз выше), поэтому сопротивление обмотки не должно полностью игнорироваться.
Потери вихревого тока являются функцией как материала ядра, так и его конструкции — более высокое удельное сопротивление и минимально толстое измерение помогают больше всего.
Потери баллов являются результатом гистерезиса или усилий, затраченных на переворачивание магнитных доменов назад и вперед, и вихревых токов, которые возникают из -за того, что токи, индуцируемые в ядро, нормальный к пути магнитного потока. Потери гистерезиса являются полностью функцией основного материала. Феррит и низкометражный порошок железа выполняют лучшее, так как порошок молипермаллея (MPP) и другие порошкообразные металлические смешивают торговые потери для более высокого значения проницаемости и плотности потока насыщения.
Потери вихревого тока являются функцией как материала ядра, так и его конструкции — более высокое удельное сопротивление и минимально толстое измерение помогают больше всего. Конечно, самые низкие потери основного, возникающие в результате отсутствия ядра вообще, и это вполне может быть вариантом на частотах выше 500 кГц или около того, хотя, если вы не хотите, чтобы этот индуктор был пушкой EMI, то все равно было бы лучше сделать его тороидальным в форме.
Обмотка построения резонансных индукторов довольно сложнее оптимизировать с точки зрения потерь-VS-Costs, потому что общий и недорогой метод скручивания нескольких небольших магнитных проводов для получения необходимого текущего рейтинга может не работать почти настолько хорошо при резонансном применении из-за воздействия кожи и близости. Эффект кожи-это феномен, при котором вихревые токи, вызванные в проволоку, с помощью очень высокочастотного тока. Например, максимальная частота AWG -проволока #18 (диаметр ~ 1 мм) может нести до того, как глубина кожи начинает влиять на нее, составляет ~ 17 кГц, и это падает до всего лишь ~ 4,2 кГц для № 12 AWG (диаметр ~ 2 мм).
Огромное количество прядей потребуется, чтобы минимизировать потери эффекта кожи выше 200 кГц или около того, но если каждая нить не тратит столько же времени (так сказать), обращаясь к ядро и поверхности проводки, эффект близости начнет доминировать в потерях (это в основном эффект кожи, возникающий из магнитных полей из соседних слоев обмотки). Эффекты как кожи, так и близости могут быть облегчены с помощью проволоки LITZ, которая состоит из многих (до сотен!) Индивидуально изолированных цепей, которые вплетаются таким образом, что каждый из них постоянно меняет свое положение между центром и периметром провода.
Однако существуют практические ограничения на то, как далеко можно занять эту концепцию, так как стоимость LITZ увеличивается с подсчетом Strand/Bundle, в то время как отдельные пряди станут слишком малыми, чтобы выдержать процесс ткачества и объединения в какой -то момент (обычное сокращение около #44 AWG). Существует также более тонкие причины, чтобы снизить отсчет прядей, такие как увеличение коэффициента изоляции к меди, и тот факт, что эффект близости происходит между каждой цепью и каждой пачкой прядей (хотя и не в той же степени, что и между фактическими слоями обмотки).
В результате всего этого заключается в том, что в целом будет более экономично увеличить шаг или два по размеру ядра, чтобы уменьшить количество поворотов, необходимых для достижения целевой индуктивности, и особенно для того, чтобы сохранить все повороты в одном слое (что также резко снижает бродячие емкости). Несмотря на это, операция при> 200 кГц или около того почти наверняка потребует LITZ, поэтому бюджет на эту стоимость соответственно.
В целом, в целом будет более экономично увеличиться на шаг или два по размеру ядра, чтобы уменьшить количество поворотов, необходимых для достижения целевой индуктивности, и особенно для того, чтобы сохранить все повороты в одном слое, что также значительно снижает безумную емкость обмотки.
Окончательным применением индукторов является фильтрация EMI/шума, и здесь высокие потери переменного тока как в обмотке, так и в сердечнике являются скорее функцией, чем ошибкой, и выбор может быть компонентом COTS. Если вы катаетесь на своем собственном-или просто, чтобы лучше выбрать компонент COTS-затем минимизация бездомной емкости обмотки является относительно более высоким приоритетом, чем что-либо еще, так как эта емкость является основным вектором для высокочастотного шума, чтобы обойти индуктора, победив его самую цель.
Один слой, намотанный одинокий Магнитный провод соответствующего датчика для тока является предпочтительной конструкцией здесь. Если индуктору фильтра EMI придется нести значительный ток DC или низкочастотный (IE MAINS) AC для его размера-и это может быть порядок нескольких MA для индуктора уровня сигнала-тогда применяются те же самые рекомендации по дизайну, что и для объяснений, чтобы применить ядро, что эти фильтрации не наносят на это, но в то же время, что эти фильтрации не наносят усилия.
РЧ-шум обычно проявляется на всех проводах, проходящих через корпус, поэтому фильтрация общего мода будет более эффективной, чем отдельные фильтры для каждой линии питания и сигнала (т.е. в нормальном или дифференциальном режиме). Это более легко достигнуто, поставив все обмотки для связанной группы проводов, включая их землю, — в одном ядре (например, вход мощности переменного тока, сигнальные линии к моторному энкодеру, дроссельной заслонке и т. Д.).
Обмотки появятся последовательно для тока общего режима, но почти исчезают для тока нормального режима. Последнее может быть незначительной проблемой в том смысле, что некоторая индуктивность все еще может быть желательной для фильтрации дифференциального режима, и в этом случае целенаправленное построение обмотков для высокой индуктивности утечки (например, физически их разделением) окажется полезным.
Вездесущий тороидальный дух с общим режимом, обнаруженный практически в каждом сетевом фильтре переменного тока, воплощает все эти принципы-тороидальное ядро-это закрытая форма, поэтому он излучает почти нулевой EMI, а обмотки состоят из единого слоя единого магнитного провода на противоположных сторонах ядра, что приводит к высоким потери AC, минимальному дистрибутированию, по-разному, по-разному, по-разному, по-разному, и относительно высокого уровня, с каким-то высоким, и по-разному, по-разному, по-разному, и по-разному, по-разному, по-разному, по-разному, и по-разному, и по-разному, и по-разному, и по-разному. Фильтрация брошена бесплатно. Большинство COTS Common-Mode Doches уже будет перечислено/одобрено и соответствующими агентствами по безопасности, что делает их еще более убедительным выбором по сравнению с компонентами.
Эта статья впервые появилась в выпуске 71: январь-март 2025 года-подписаться сейчас.
