I형 인덕터의 포화 전류 및 열을 제어하는 ​​방법

엔지니어는 코어 재료, 코어 형상 및 간격, 권선 설계, 열 또는 작동 조건 등 4가지 레버를 통해 I자형 인덕터의 포화 전류 및 열을 제어합니다. 그런 다음 측정을 통해 설계 마진을 확인합니다.

I자형 코어에는 열린 자기 경로가 있습니다. 간격이 있거나 환상형 코어보다 먼저 포화되므로 설계자는 처음부터 여유를 확보해야 합니다.

실용적인 결정 순서를 통해 작업에 집중할 수 있습니다. 먼저 재료를 선택한 다음 크기, 회전, 와이어, 공기 흐름을 선택한 다음 마지막으로 결과를 확인합니다. 이 시퀀스는 모든 dc-dc 변환기 또는 유사한 회로의 전력 인덕터에 적합합니다. 각 선택은 인덕턴스와 손실에 영향을 미치므로 단계는 함께 속합니다.

포화 및 열 기본 사항

포화 전류와 정격 전류

인덕터는 항상 두 개의 별도 제한 아래에서 실행되어야 합니다. 정격 전류는 부품이 열 한계를 충족하는 수준입니다. 포화 전류는 코어가 더 이상 필요한 에너지를 저장할 수 없는 지점을 나타냅니다. 이는 독립적인 제약 조건입니다. 부품은 여전히 ​​포화 상태에 있는 동안 과열될 수 있으며, 열 정격 미만인 동안에도 포화될 수 있습니다. 두 검사 모두 필수입니다.

"인덕터가 포화 상태에 들어가면 더 적은 에너지를 저장할 수 있고 리플 전류가 증가하므로 효율성이 감소합니다."

포화 전류 정격이 예상 피크 전류를 초과해야 한다는 고정된 범용 백분율 마진은 없습니다. 적절한 마진은 전류 제한 동작, 시동 및 과도 전류, 부품 허용 오차, 온도 효과, DC 중첩 특성의 형태에 따라 달라집니다. 설계자는 신뢰할 수 있는 최악의 현재 조건에 맞춰 마진의 크기를 조정해야 합니다.

I자형 인덕터의 열원

열은 두 손실 가족에서 비롯됩니다. 코어 손실에는 정적 히스테리시스, 고전적인 와전류 및 잔류 동적 효과가 포함됩니다. 구리 손실은 DC 전류의 DC 항과 리플, 표피 효과, 근접 효과 및 갭 주변의 프린징 필드의 ​​AC 항으로 분할됩니다. 종단 및 인근 도체는 접촉 저항과 유도 전류를 추가합니다.

최적화는 코어 손실과 권선(구리) 손실을 동일하게 하기보다는 총 손실과 핫스팟 온도를 목표로 해야 합니다. 두 가지가 일치해야 한다는 보편적인 요구 사항은 없습니다.

열과 자기 포화는 별개의 문제가 아니기 때문에 이 연결이 중요합니다. DC 전류에 따른 인덕턴스의 변화를 관찰하는 설계자는 DC 중첩 정격 전류와 온도 상승 정격 전류를 함께 예측할 수 있습니다. 피크 전류를 포화 수준 아래로 유지하면 에너지 저장이 보호됩니다. RMS 전류를 온도 상승 정격 전류 이내로 유지하면 권선을 보호할 수 있습니다. DC 중첩 특성은 두 동작을 하나의 곡선에 연결하므로 한 번의 측정으로 두 결정을 모두 알 수 있습니다.

포화 전류를 제어하는 ​​방법

자속을 이해하는 엔지니어는 프로토타입이 존재하기 전에 부하 시 동작을 예측할 수 있습니다. 자속 밀도는 적용된 볼트-초에 따라 증가하고 코어 단면적 및 회전에 따라 감소합니다. 이러한 관계를 통해 설계자는 자기 포화가 시작되는 위치를 예측하고, 코어 손실을 줄이고, 부하 범위 전체에서 인덕턴스를 안정적으로 유지할 수 있습니다. 동일한 지식은 추측 없이 포화 전류를 제어하는 ​​방법을 보여줍니다.

전력 인덕터의 핵심 재료 및 형상

재료 선택에 따라 천장이 설정됩니다. 코어의 포화 자속 밀도는 투자율이 붕괴되기 전에 유지할 수 있는 자속 수준을 정의합니다. 페라이트, 철분말, 합금 분말 재료는 그 한도와 손실 특성이 다르기 때문에 선택은 회로가 요구하는 피크 전류와 일치해야 합니다.

기하학은 코어가 해당 천장을 얼마나 효율적으로 사용하는지를 설정합니다. 더 큰 유효 단면적은 자속을 확산시키고 포화 없이 더 높은 전류를 지원합니다. 자기 경로가 길수록 동일한 자속 수준에 도달하는 데 필요한 암페어 회전수가 증가합니다. I자형 코어는 작은 부피에 플럭스를 집중시키므로 폐쇄형 코어 설계에서보다 기하학적 결정이 더 중요합니다.

한 가지 절충안은 주목할 가치가 있습니다. 포화 전류 정격을 높이면 부품 주변의 자기장이 증폭되고, 자기장이 강할수록 전자기 간섭이 증가할 수 있습니다. 정답은 균형입니다. 피크 전류를 위한 충분한 헤드룸과 방출을 허용 가능한 수준으로 유지하는 레이아웃 및 차폐 조치입니다. 어느 목표도 다른 목표를 취소해서는 안 됩니다.

턴, 갭 및 인덕턴스

턴과 갭이 함께 인덕턴스와 전류 포화 매개변수를 제어합니다. 권수가 많을수록 인덕턴스는 높아지지만 코어가 포화되는 전류는 낮아집니다. 자기 경로의 간격은 포화 임계값을 높이고 DC 전류에서 인덕턴스를 안정화하지만 턴당 약간의 인덕턴스를 희생합니다.

포화 전류는 코어 포화가 발생하기 전의 최대 전류로 지정되어야 합니다. 해당 지점 아래에서는 인덕턴스가 부하 시 일관되게 유지됩니다. 그 이상에서는 인덕턴스가 급격하게 떨어지고 전류는 설계자가 의도한 것보다 빠르게 상승합니다. 명확한 사양은 DC-DC 컨버터의 과도 피크 동안 인덕턴스가 떨어지는 것을 방지합니다.

DC 중첩 특성은 이러한 선택을 하나로 묶습니다. 이 곡선은 DC 전류에 대한 인덕턴스를 표시하며 그 무릎은 실제 포화점을 표시합니다. Knee를 읽으면 DC 중첩 정격 전류가 직접 제공됩니다. 이 곡선을 조기에 확인하는 설계자는 권선 및 열 작업이 시작되기 전에 dc-dc 컨버터에서 포화 전류를 제어할 수 있으며, 전체 분석을 반복하지 않고도 두 번째 dc-dc 컨버터 변형에서 마진을 다시 확인할 수 있습니다.

I자형 인덕터의 열 제어

열 제어는 권선에서 시작하여 부품 주변 환경으로 끝납니다. 잘 만들어진 권선은 공기 흐름이 없는 혼잡한 인클로저 내부에서 여전히 뜨겁게 작동하기 때문에 양쪽 절반 모두 동일한 주의를 기울일 가치가 있습니다.

도체 및 권선 설계

와이어 게이지는 구리 손실의 첫 번째 지렛대입니다. 더 두꺼운 와이어는 DC 저항을 낮추고 높은 DC 전류에서 지배적인 저항 가열을 차단합니다. 두꺼운 와이어는 더 많은 창 영역을 차지하고 권선을 더 큰 패키지에 밀어넣을 수 있으므로 이득에는 한계가 있습니다.

권선 레이아웃은 열이 집중되는 위치를 결정합니다. 펼쳐진 단일 레이어 권선은 더 많은 표면을 공기에 노출시키고 코일 중앙에 열을 가두는 쌓인 회전을 방지합니다. 다층 권선은 공간을 절약하지만 국부적인 발열을 증가시키므로 설계자는 열 방출과 소형화를 비교해야 합니다.

전류 리플은 두 번째 손실 기간을 추가합니다. 리플 전류는 주파수 종속 저항을 통해 흐르므로 권선은 동일한 평균값의 순수 DC 전류가 제안하는 것보다 더 많이 가열됩니다. DC 테스트에서 냉각 상태를 유지하는 부품은 스위칭 회로에서 여전히 뜨거워질 수 있습니다.

작동 모드도 중요합니다. 불연속 전도 모드에서는 인덕터 전류가 스위칭 사이클마다 0으로 떨어집니다. 이로 인해 RMS 전류 관련 손실이 발생하고 EMI를 악화시키는 갑작스러운 전류 전환이 발생합니다. DCM 진입을 지연하거나 방지하면 EMI를 발생시키는 전류 차단 효과를 억제하는 데 도움이 됩니다. 고정 인덕턴스 PFC 스테이지에서 컨버터는 정류된 주전원 파형의 저전류 부분 근처에서 불연속적으로 작동하는 경향이 있습니다. 스텝 갭 PFC 인덕터는 낮은 전류에서 더 높은 인덕턴스를 공급하고 해당 창을 좁혀 왜곡과 EMI를 줄입니다.

열 경로 및 작동 조건

정지된 공기에서 주어진 온도 상승에 대해 평가된 부품은 실제 보드에서 다르게 작동합니다. PCB 구리 영역, 인근 열원, 공기 흐름, 스위칭 주파수, 리플 진폭, 코어 재료, 실장 레이아웃 및 주변 온도는 모두 실제 온도 상승을 변화시킵니다. 설계자는 데이터시트 온도 증가 정격 전류를 출발점으로 삼아 인클로저에서 이를 확인해야 합니다.

열 경로는 권선에서 코어, 리드 및 PCB 패드를 통과합니다. 넓은 패드와 넉넉한 구리판은 열을 분산시키고 인덕터가 과열 없이 더 높은 전류 레벨을 처리하도록 돕습니다. 공기 흐름이 좋지 않으면 마진이 빨리 제거됩니다.

소싱은 또 하나의 변수입니다. Gujing은 DLCH, DLCR, DLCP112, DLGB3X 및 DLGBX 와 같은 I자형 인덕터 제품군 과 특정 인덕턴스, 크기 및 정격 전류에 대한 사용자 정의를 제공합니다. 이러한 부품은 스위칭 전원 공급 장치, DC-DC 컨버터 설계, 가전 제품, 통신 장비, 산업 제어, LED 드라이버, 가전제품, 모터 및 스마트 홈 장치에 나타납니다. 구매자는 자신의 열 테스트 데이터와 모든 제품군을 비교해야 합니다.

포화도 및 온도 측정

포화 테스트 및 마진

펄스 회로 테스트를 통해 자기 포화가 시작되는 위치를 알 수 있습니다. 벤치 설정은 인덕터에 짧은 전류 펄스를 적용하고 오실로스코프에서 결과 파형을 캡처합니다. 작업자는 공급 장치를 0V로 설정하고 양극 단자를 인덕터의 드레인 측에 연결하고 음극 단자를 전류 션트 하단에 연결합니다. PWM 소스는 5% 듀티 사이클로 20kHz에서 실행되며 47Ω 게이트 저항을 통해 MOSFET 게이트를 구동합니다. 스코프는 게이트 상승 에지에서 트리거하며, 한 채널은 게이트에 있고 다른 채널은 션트에 걸쳐 있습니다. 공급 전류 제한은 예상 포화 전류의 1.5배에 있어야 합니다.

그런 다음 작업자는 선형 전류 램프를 관찰하면서 공급 전압을 0V에서 목표 방향으로 천천히(일반적으로 5~15V) 올립니다. 1~2%의 작은 듀티 사이클 단계가 이어집니다. 진정한 채도 특징은 무릎을 위로 올리는 것입니다. 램프는 더 가파른 경사로 위쪽으로 곡선을 이룹니다. 링잉은 램프의 사인파 잔물결처럼 다르게 보입니다. 평탄화 경사는 일반적으로 포화가 아니라 공급 전류 제한 또는 션트 자체 발열을 의미합니다. 4선 켈빈 션트를 사용하여 션트 저항을 줄이고 접지 리드를 짧게 유지하여 링잉을 억제합니다.

포화 이벤트 동안 커패시터는 초기에 전압 스파이크를 흡수할 수 있습니다. 그러면 저항기가 충전 및 방전 전류를 제어하고 저장된 에너지를 열로 방출합니다. 이 네트워크는 작업자가 무릎을 기록하는 동안 테스트 회로를 보호합니다.

데이터시트 확인 및 부하 테스트

데이터시트 검토에서는 두 수치를 별도로 교차 확인해야 합니다. 아래 표는 헤드라인 등급이 오해를 불러일으킬 수 있는 이유를 보여줍니다.

정격 전류가 계산된 피크를 초과하므로 얼핏 보면 부품이 괜찮아 보입니다. 포화 전류가 피크 아래에 있으므로 부품이 포화 화면을 통과하지 못합니다. 설계자는 포화 전류에 사용되는 인덕턴스 강하 임계값을 정격 전류에 사용되는 온도 상승 조건과 비교하고 두 곡선이 비슷한 조건을 사용하는지 확인해야 합니다.

부하 및 온도 테스트로 루프가 닫힙니다. 엔지니어는 실제 냉각 조건에서 대상 PCB에서 후보를 실행하고 안정된 상태에서 구성 요소 온도를 기록합니다. 이 단계에서는 종이뿐만 아니라 실제 인클로저의 열 마진과 DC 중첩 특성을 확인합니다. 4개의 레버는
I자형 인덕터
의 포화 전류와 열( 코어 재료, 기하학적 구조 및 간격, 권선 설계, 열 또는 작동 조건)을 제어합니다. 측정은 모든 단계에서 마진을 확인합니다.

우선순위가 지정된 작업 목록은 작업을 순서대로 유지합니다.

1. 피크 전류에 대한 재료와 크기를 선택하고, 신뢰할 수 있는 최악의 전류 조건에 대비하여 마진 크기를 조정합니다.

2. 부하 시 인덕턴스를 고정하기 위해 회전 및 간격을 설정합니다.

3. 손실이 적고 발열 관리가 가능한 전선을 선택하세요.

4. 부하 및 온도 테스트를 통해 확인합니다.

설계자는 포화도와 열을 연결된 변수로 처리해야 합니다. 하나가 다른 하나를 바꾸는 데 도움이 되는 변화이므로 전력 인덕터는 공동 검토를 받을 가치가 있습니다. 동일한 원칙이 모든 dc-dc 컨버터 레이아웃에 적용됩니다.