I 字型インダクタの飽和電流と発熱を制御する方法

エンジニアは、コアの材料、コアの形状とギャップ、巻線の設計、熱または動作条件の 4 つのレバーを通じて、I 字型インダクタの飽和電流と熱を制御します。測定により設計マージンを確認します。

I 型コアにはオープン磁路があります。ギャップ付きコアやトロイダル コアよりも早く飽和するため、設計者は最初からマージンを構築する必要があります。

実践的な意思決定命令により、作業に集中し続けることができます。まず材料を選択し、次にサイズ、次に巻数、次にワイヤー、次にエアフローを選択し、最後に結果を検証します。このシーケンスは、DC-DC コンバータまたは同様の回路のパワー インダクタに適しています。それぞれの選択はインダクタンスと損失に影響を与えるため、ステップは一緒に属します。

飽和と熱の基礎

飽和電流対定格電流

インダクタは常に 2 つの別個の制限値以下で動作する必要があります。定格電流は、部品が熱制限を満たすレベルです。飽和電流は、コアが必要なエネルギーを蓄えられなくなる点を示します。これらは独立した制約です。部品が飽和を下回っているにもかかわらず過熱することも、熱定格を下回っているにもかかわらず飽和することもあります。両方のチェックは必須です。

「インダクタが飽和状態になると、蓄えるエネルギーが減り、リップル電流が増加します。つまり、効率が低下します。」

飽和電流定格が予想されるピーク電流を超えなければならないという固定された普遍的なパーセンテージマージンはありません。適切なマージンは、電流制限の動作、起動電流と過渡電流、部品の許容差、温度の影響、DC 重畳特性の形状によって異なります。設計者は、信頼できる最悪の現状に対してマージンを見積もる必要があります。

I 字型インダクタの熱源

熱は2つの喪失家族から来ています。コア損失には、静的ヒステリシス、古典的な渦電流、および残留動的効果が含まれます。銅損は、DC 電流からの DC 項と、リップル、表皮効果、近接効果、およびギャップ周囲の漏れ磁界からの AC 項に分かれます。終端と近くの導体により、接触抵抗と誘導電流が増加します。

最適化では、コア損失と巻線 (銅) 損失を強制的に等しくするのではなく、総損失とホットスポット温度をターゲットにする必要があります。この 2 つが一致するという普遍的な要件はありません。

熱と磁気飽和は別個の問題ではないため、この関係は重要です。 DC 電流に関連してインダクタンスがどのように変化するかを観察する設計者は、DC 重畳定格電流と温度上昇定格電流を合わせて予測できます。ピーク電流を飽和レベル以下に保つことで、エネルギー貯蔵が保護されます。 RMS 電流を温度上昇定格電流以内に保つことで、巻線を保護します。 DC 重畳特性は両方の動作を 1 つの曲線に結び付けるため、1 つの測定で両方の決定が得られます。

飽和電流を制御する方法

磁束を理解しているエンジニアは、プロトタイプが存在する前に負荷時の動作を予測できます。磁束密度は印加電圧秒に応じて増加し、コアの断面積と回転数に応じて減少します。この関係により、設計者はどこで磁気飽和が始まるかを予測し、コア損失を低減し、負荷範囲全体にわたってインダクタンスを安定に保つことができます。同じ知識により、推測に頼らずに飽和電流を制御する方法がわかります。

パワーインダクタのコア材料と形状

素材の選択によって天井が決まります。コアの飽和磁束密度は、透磁率が崩れる前にコアが保持できる磁束レベルを定義します。フェライト、鉄粉末、および合金粉末材料は、その上限と損失挙動が異なるため、回路が要求するピーク電流に合わせて選択する必要があります。

ジオメトリは、コアがその上限をどの程度効率的に使用するかを設定します。より大きな有効断面積により磁束が広がり、飽和することなくより大きな電流をサポートします。磁路が長くなると、同じ磁束レベルに到達するために必要なアンペアターンが増加します。I 字型コアは小さな体積に磁束を集中させるため、クローズドコア設計よりも形状の決定が重要になります。

注目に値するトレードオフが 1 つあります。飽和電流定格を上げると部品の周囲の磁場が増幅され、磁場が強くなると電磁干渉が増加する可能性があります。正しい答えはバランスです。ピーク電流に対する十分なヘッドルームに加え、エミッションを許容範囲内に保つレイアウトとシールド対策です。どちらの目標ももう一方の目標をキャンセルしてはなりません。

巻数、ギャップ、インダクタンス

ターンとギャップを組み合わせて、インダクタンスと電流飽和パラメータを制御します。巻数が増えるとインダクタンスが増加しますが、コアが飽和する電流は減少します。磁路にギャップがあると、飽和しきい値が上昇し、DC 電流下でのインダクタンスが安定しますが、1 ターンあたりある程度のインダクタンスが犠牲になります。

飽和電流は、コアが飽和する前の最大電流として指定する必要があります。それ以下では、負荷がかかってもインダクタンスは一定に保たれます。それを超えると、インダクタンスは急激に低下し、電流は設計者が意図したよりも速く上昇します。明確な仕様により、DC-DC コンバータの過渡ピーク時のインダクタンスの低下が防止されます。

直流重畳特性は、これらの選択肢を結び付けます。この曲線は、直流電流に対するインダクタンスをプロットしており、その折れ曲がり部分が実際の飽和点を示しています。ニーを読み取ると、直流重畳定格電流が直接得られます。この曲線を早期にチェックした設計者は、巻線と熱作業が始まる前に DC-DC コンバータの飽和電流を制御でき、完全な解析を繰り返すことなく 2 番目の DC-DC コンバータのバリアントでマージンを再度確認できます。

I 字型インダクタの熱制御

熱制御は巻線から始まり、部品の周囲の環境で終わります。空気の流れのない混雑した筐体内では、よく作られた巻線でも依然として高温になるため、どちらの部分も同様に注目する必要があります。

導体と巻線の設計

ワイヤゲージは銅損の最初のレバーです。太いワイヤは DC 抵抗を下げ、高 DC 電流で支配的な抵抗加熱をカットします。太いワイヤはより多くのウィンドウ領域を必要とし、巻線をより大きなパッケージに押し込む可能性があるため、ゲインには制限があります。

熱が集中する場所は巻線のレイアウトによって決まります。広がった単層巻線は、より多くの表面を空気にさらし、コイルの中央に熱を閉じ込める積層ターンを回避します。多層巻線はスペースを節約しますが、局所的な発熱が発生するため、設計者はコンパクトさと熱放散を比較検討する必要があります。

電流リップルにより、2 番目の損失項が追加されます。リップル電流は周波数に依存する抵抗を流れるため、同じ平均値の純粋な DC 電流が示す以上に巻線が発熱します。 DC テストでは低温を維持している部品でも、スイッチング回路では高温になる可能性があります。

動作モードも重要です。不連続導通モードでは、インダクタ電流はスイッチング サイクルごとにゼロになります。これにより、RMS 電流関連の損失が増加し、EMI を悪化させる急激な電流遷移が発生します。 DCM への移行を遅らせたり防止したりすると、EMI の原因となる電流遮断の影響を抑制できます。固定インダクタンス PFC ステージでは、コンバータは整流された主電源波形の低電流部分付近で不連続動作になる傾向があります。ステップギャップ PFC インダクタは、低電流でより高いインダクタンスを供給し、そのウィンドウを狭くすることで、歪みと EMI を低減します。

熱経路と動作条件

静止空気中での特定の温度上昇に対して定格された部品は、実際の基板では異なる動作をします。 PCB の銅面積、近くの熱源、空気の流れ、スイッチング周波数、リップル振幅、コアの材質、取り付けレイアウト、周囲温度はすべて、実際の温度上昇に影響を与えます。設計者は、データシートの温度上昇定格電流を開始点として扱い、それをエンクロージャ内で確認する必要があります。

熱経路は、巻線からコア、リード、PCB パッドを通って延びます。幅広のパッドと十分な銅プレーンにより熱が分散され、インダクタが過熱することなくより高い電流レベルを処理できるようになります。エアフローが悪いと、そのマージンがすぐに失われます。

調達ももう 1 つの変数です。 Gujing は、DLCH、DLCR、DLCP112、DLGB3X、DLGBXなどの I 字型インダクタ ファミリに加えて、特定のインダクタンス、サイズ、電流定格に合わせたカスタマイズを提供しています。これらの部品は、スイッチング電源、DC-DC コンバータの設計、家庭用電化製品、通信機器、産業用制御、LED ドライバー、家電製品、モーター、スマート ホーム デバイスに使用されます。購入者は、任意のファミリーを自身の熱試験データと比較する必要があります。

飽和度と温度の測定

飽和テストとマージン

パルス回路テストにより、磁気飽和が始まる場所が明らかになります。ベンチ設定では、短い電流パルスをインダクタに印加し、その結果生じる波形をオシロスコープでキャプチャします。オペレータは電源を 0 V に設定し、正端子をインダクタのドレイン側に接続し、負端子を電流シャントの底部に接続します。 PWM ソースは 5% のデューティ サイクルで 20 kHz で動作し、47 Ω のゲート抵抗を介して MOSFET ゲートを駆動します。オシロスコープはゲートの立ち上がりエッジでトリガし、ゲートに 1 つのチャネルとシャントに 1 つのチャネルがかかります。供給電流制限は、予想される飽和電流の 1.5 倍に設定する必要があります。

次に、オペレータは線形電流ランプを監視しながら、電源電圧を 0 V から目標値 (通常は 5 ～ 15 V) に向かってゆっくりと上昇させます。 1 ～ 2% の小さなデューティ サイクル ステップが続きます。真の飽和の特徴はニーアップです。ランプはより急な傾斜で上向きに曲がります。リンギングは異なって見え、ランプ上の正弦波の波紋として現れます。傾きが平坦になるということは、通常、飽和ではなく、供給電流の制限またはシャントの自己発熱を意味します。シャント抵抗を減らし、4 線ケルビンシャントを使用し、グランドリードを短く保つことでリンギングを抑制します。

飽和イベント中、コンデンサは最初に電圧スパイクを吸収できます。次に、抵抗器が充放電電流を制御し、蓄積されたエネルギーを熱として放散します。このネットワークは、オペレータが膝を記録している間、テスト回路を保護します。

データシートのチェックと負荷テスト

データシートのレビューでは、2 つの図を個別にクロスチェックする必要があります。以下の表は、見出しの評価が誤解を招く理由を示しています。

定格電流は計算されたピークを超えているため、この部品は一見すると許容範囲内に見えます。飽和電流はピークを下回っているため、その部品は飽和スクリーニングに合格しません。設計者は、飽和電流に使用されるインダクタンス降下閾値と定格電流に使用される温度上昇条件を比較し、両方の曲線が同等の条件を使用していることを確認する必要があります。

負荷と温度のテストによってループが終了します。エンジニアは、実際の冷却条件下でターゲット PCB 上で候補を実行し、定常状態でのコンポーネントの温度を記録します。このステップでは、紙の上だけでなく実際の筐体での熱マージンと直流重畳特性を確認します。
I 字型インダクタ
の飽和電流と熱は 4 つのレバーで制御されます。コアの材質、形状とギャップ、巻線の設計、熱または動作条件です。測定により各段階でのマージンを確認します。

優先順位を付けたアクション リストにより、作業が秩序正しく行われます。

1.信頼できる最悪の電流条件に対するマージンを考慮して、ピーク電流に合わせて材料とサイズを選択します。

2.負荷時のインダクタンスを固定するために巻数とギャップを設定します。

3.損失​​が低く、熱を管理しやすいワイヤを選択します。

4.負荷と温度のテストで検証します。

設計者は、飽和と熱をリンクされた変数として扱う必要があります。一方が他方をシフトするのに役立つ変更であるため、パワーインダクタは共同でレビューする価値があります。同じ規律が DC-DC コンバータのレイアウトにも適用されます。