소식

요약

인덕터는 에너지 저장 장치, 전력 필터 등 스위칭 컨버터에서 매우 중요한 구성 요소입니다. 다양한 응용 분야(저주파에서 고주파수까지) 또는 인덕터의 특성에 영향을 미치는 다양한 코어 재료 등 다양한 유형의 인덕터가 있습니다. 스위칭 컨버터에 사용되는 인덕터는 고주파 자기 부품입니다. 그러나 재료, 작동 조건(전압, 전류 등), 주변 온도 등 다양한 요인으로 인해 제시된 특성과 이론은 상당히 다릅니다. 따라서 회로 설계에서는 인덕턴스 값의 기본 매개 변수 외에도 인덕터의 임피던스와 교류 저항 및 주파수 사이의 관계, 철손 및 포화 전류 특성 등을 고려해야 합니다. 이 기사에서는 몇 가지 중요한 인덕터 코어 재료와 그 특성을 소개하고 전력 엔지니어가 시중에서 판매되는 표준 인덕터를 선택하도록 안내합니다.

머리말

인덕터(Inductor)는 보빈이나 코어에 일정 개수의 코일(코일)을 절연전선으로 감아 만든 전자기 유도 부품이다. 이 코일을 인덕턴스 코일 또는 인덕터라고 합니다. 전자기 유도의 원리에 따르면, 코일과 자기장이 서로 상대적으로 이동하거나, 코일이 교류를 통해 교류 자기장을 생성하면 원래 자기장의 변화에 ​​저항하기 위해 유도 전압이 생성되고, 전류 변화를 억제하는 이러한 특성을 인덕턴스라고 합니다.

인덕턴스 값의 공식은 투자율, 권선 권수 N의 제곱, 등가 자기 회로 단면적 Ae에 비례하고 등가 자기 회로 길이 le에 반비례하는 식 (1)과 같습니다. . 인덕턴스에는 다양한 유형이 있으며 각각 다른 애플리케이션에 적합합니다. 인덕턴스는 모양, 크기, 권선 방법, 권선 수 및 중간 자성 재료의 유형과 관련됩니다.

(1)

철심의 모양에 따라 인덕턴스에는 토로이달, E 코어 및 드럼이 포함됩니다. 철심 재료에는 주로 세라믹 코어와 두 가지 연자성 유형이 있습니다. 페라이트와 금속분말입니다. 구조나 패키징 방법에 따라 권선형, 다층형, 몰드형이 있으며, 권선형에는 비차폐형, 반자성 접착제가 있는 차폐형(반차폐형), 차폐형(차폐형) 등이 있습니다.

인덕터는 직류에서 단락 회로처럼 작동하고 교류에 대해 높은 임피던스를 나타냅니다. 회로의 기본 용도에는 질식, 필터링, 조정 및 에너지 저장이 포함됩니다. 스위칭 컨버터의 적용에서 인덕터는 가장 중요한 에너지 저장 부품이며 출력 커패시터와 함께 저역 통과 필터를 형성하여 출력 전압 리플을 감소시키므로 필터링 기능에서도 중요한 역할을 합니다.

본 글에서는 회로 설계 시 인덕터 선택 시 중요한 평가 참고 자료로서 인덕터의 다양한 핵심 소재와 그 특성, 인덕터의 전기적 특성 일부를 소개하겠습니다. 응용 사례에서는 인덕턴스 값을 계산하는 방법과 시중에 판매되는 표준 인덕터를 선택하는 방법을 실제 사례를 통해 소개합니다.

심재 종류

스위칭 컨버터에 사용되는 인덕터는 고주파 자기 부품입니다. 중앙에 있는 코어 재료는 임피던스와 주파수, 인덕턴스 값과 주파수, 코어 포화 특성 등 인덕터의 특성에 가장 큰 영향을 미칩니다. 다음은 파워 인덕터를 선택하는 데 중요한 참고 자료로서 몇 가지 일반적인 철심 재료와 그 포화 특성의 비교를 소개합니다.

1. 세라믹 코어

세라믹 코어는 일반적인 인덕턴스 재료 중 하나입니다. 주로 코일을 감을 때 사용되는 지지 구조를 제공하는 데 사용됩니다. "공심 인덕터"라고도 합니다. 사용된 철심은 온도 계수가 매우 낮은 비자성체이기 때문에 동작 온도 범위에서 인덕턴스 값이 매우 안정적입니다. 그러나 매체가 비자성체이기 때문에 인덕턴스가 매우 낮아 전력 변환기에 적용하기에는 적합하지 않습니다.

2. 페라이트

일반적인 고주파 인덕터에 사용되는 페라이트 코어는 보자력이 낮은 연자성 강자성체인 니켈아연(NiZn)이나 망간아연(MnZn)을 함유한 페라이트 화합물이다. 그림 1은 일반적인 자기 코어의 히스테리시스 곡선(BH 루프)을 보여줍니다. 자성체의 보자력(HC)은 보자력이라고도 하는데, 이는 자성체가 자기포화 상태로 자화되면 그 자화(자화)가 0으로 감소하는 것을 의미한다. 이때 필요한 자기장 세기는 다음과 같다. 보자력이 낮다는 것은 소자에 대한 저항이 낮다는 것을 의미하며 히스테리시스 손실도 낮다는 것을 의미합니다.

망간-아연 및 니켈-아연 페라이트는 각각 약 1500-15000 및 100-1000으로 비교적 높은 상대 투자율(μr)을 갖습니다. 높은 투자율은 철심의 특정 부피를 더 높게 만듭니다. 인덕턴스. 그러나 허용 가능한 포화 전류가 낮고 철심이 포화되면 투자율이 급격히 떨어지는 단점이 있습니다. 철심이 포화되었을 때 페라이트 및 분철심의 투자율이 감소하는 경향은 그림 4를 참조한다. 비교. 파워 인덕터에 사용하면 주 자기 회로에 공극이 남게 되어 투자율이 감소하고 포화가 방지되며 더 많은 에너지를 저장할 수 있습니다. 에어 갭이 포함되면 등가 상대 투자율은 약 20-200 사이가 될 수 있습니다. 재료 자체의 높은 저항률은 와전류로 인한 손실을 줄일 수 있으므로 고주파수에서 손실이 더 낮으며, 고주파 변압기, EMI 필터 인덕터 및 전력 변환기의 에너지 저장 인덕터. 동작 주파수 측면에서는 니켈-아연 페라이트가 1MHz 이상 사용에 적합하고, 망간-아연 페라이트는 더 낮은 주파수 대역(2MHz 미만)에 적합합니다.

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그림 1. 자기코어의 히스테리시스 곡선(BR: 잔류자속, BSAT: 포화자속밀도)

3. 분말 철심

분말 철심도 연자성 강자성 재료입니다. 그들은 다양한 재료의 철분 합금 또는 철분만으로 만들어집니다. 이 공식에는 입자 크기가 다른 비자성 물질이 포함되어 있으므로 포화 곡선이 비교적 완만합니다. 분말 철심은 대부분 환상형입니다. 그림 2는 분말 철심과 그 단면도를 보여줍니다.

일반적인 분말 철 코어에는 철-니켈-몰리브덴 합금(MPP), 센더스트(Sendus), 철-니켈 합금(고유속) 및 철 분말 코어(철 분말)가 포함됩니다. 구성 요소가 다르기 때문에 특성과 가격도 다르며 이는 인덕터 선택에 영향을 미칩니다. 다음은 앞서 언급한 핵심 유형을 소개하고 그 특성을 비교합니다.

A. 철-니켈-몰리브덴 합금(MPP)

Fe-Ni-Mo 합금은 몰리퍼멀로이 분말(Molypermalloy Powder)의 약자인 MPP로 약칭됩니다. 상대투자율은 14~500정도이고, 포화자속밀도는 7500가우스(Gauss)정도로 페라이트의 포화자속밀도(4000~5000가우스 정도)보다 높다. 많은 사람들이 나왔어요. MPP는 철 손실이 가장 적고 분말 철심 중에서 온도 안정성이 가장 좋습니다. 외부 DC 전류가 포화 전류 ISAT에 도달하면 인덕턴스 값은 급격한 감쇠 없이 천천히 감소합니다. MPP는 성능은 우수하지만 비용이 높으며 일반적으로 전력 변환기용 전력 인덕터 및 EMI 필터링으로 사용됩니다.

B. 센더스트

철-실리콘-알루미늄 합금 철심은 철, 실리콘, 알루미늄으로 구성된 합금 철심으로, 상대 투자율은 약 26~125입니다. 철손은 철분말심과 MPP 및 철-니켈 합금 사이에 있습니다. . 포화 자속 밀도는 MPP보다 높으며 약 10500가우스입니다. 온도 안정성과 포화 전류 특성은 MPP 및 철-니켈 합금에 비해 약간 열등하지만 철 분말 코어 및 페라이트 코어보다 우수하며 상대 비용은 MPP 및 철-니켈 합금보다 저렴합니다. 주로 EMI 필터링, 역률보정(PFC) 회로, 스위칭 전력 변환기의 전력 인덕터에 사용됩니다.

C. 철-니켈 합금(고유속)

철-니켈 합금 코어는 철과 니켈로 만들어집니다. 상대 투자율은 약 14-200입니다. 철 손실과 온도 안정성은 MPP와 철-실리콘-알루미늄 합금 사이에 있습니다. 철-니켈 합금 코어는 약 15,000가우스로 가장 높은 포화 자속 밀도를 가지며 더 높은 DC 바이어스 전류를 견딜 수 있으며 DC 바이어스 특성도 더 좋습니다. 적용 범위: 유효 역률 보정, 에너지 저장 인덕턴스, 필터 인덕턴스, 플라이백 컨버터의 고주파 변압기 등

D. 철분말

철분말심은 고순도의 철분말 입자가 매우 작은 입자로 이루어져 서로 절연되어 있습니다. 제조 과정에서 에어 갭이 분산됩니다. 링 모양 외에도 일반적인 철 분말 코어 모양에는 E 유형 및 스탬핑 유형이 있습니다. 철분자심의 비투자율은 약 10~75이고, 높은 포화자속밀도는 약 15000가우스이다. 분말 철심 중에서 철 분말 코어는 철 손실이 가장 높지만 비용은 가장 낮습니다.

그림 3은 TDK에서 제조한 PC47 망간-아연 페라이트와 MICROMETALS에서 제조한 분말 철심 -52 및 -2의 BH 곡선을 보여줍니다. 망간-아연 페라이트의 상대 투자율은 철 분말 코어보다 훨씬 높고 포화되어 있습니다. 자속 밀도도 매우 다르며 페라이트는 약 5000 가우스이고 철 분말 코어는 10000 가우스 이상입니다.

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그림 3. 이종 재질의 망간-아연 페라이트와 철분말심의 BH 곡선

요약하면, 철심의 포화 특성은 다릅니다. 포화 전류를 초과하면 페라이트 코어의 투자율이 급격히 떨어지고 철 분말 코어는 천천히 감소할 수 있습니다. 그림 4는 동일한 투자율을 갖는 분말 철심과 서로 다른 자기장 강도에서 에어 갭을 갖는 페라이트의 투자율 저하 특성을 보여줍니다. 이는 또한 페라이트 코어의 인덕턴스를 설명합니다. 방정식(1)에서 볼 수 있듯이 코어가 포화되면 투자율이 급격히 떨어지기 때문에 인덕턴스도 급격히 떨어지게 됩니다. 에어 갭이 분산된 분말 코어의 경우 철심이 포화되면 투자율이 천천히 감소하므로 인덕턴스가 더 완만하게 감소합니다. 즉, DC 바이어스 특성이 더 좋습니다. 전력 변환기의 적용에서 이 특성은 매우 중요합니다. 인덕터의 느린 포화 특성이 좋지 않으면 인덕터 전류가 포화 전류까지 상승하고 인덕턴스가 갑자기 떨어지면 스위칭 크리스탈의 전류 스트레스가 급격히 상승하여 손상되기 쉽습니다.

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그림 4. 서로 다른 자기장 강도에서 공극이 있는 분말 철심과 페라이트 철심의 투자율 저하 특성.

인덕터 전기적 특성 및 패키지 구조

스위칭 컨버터를 설계하고 인덕터를 선택할 때 인덕턴스 값 L, 임피던스 Z, AC 저항 ACR 및 Q 값(품질 계수), 정격 전류 IDC 및 ISAT, 코어 손실(코어 손실) 및 기타 중요한 전기적 특성이 모두 필수입니다. 고려됩니다. 또한 인덕터의 패키징 구조는 자기 누설의 크기에 영향을 미치며 이는 결국 EMI에도 영향을 미칩니다. 다음에서는 인덕터 선택 시 고려 사항으로 위에서 언급한 특성을 별도로 논의하겠습니다.

1. 인덕턴스 값(L)

인덕터의 인덕턴스 값은 회로 설계에 있어서 가장 중요한 기본 파라미터이지만, 동작 주파수에서 인덕턴스 값이 안정적인지 확인해야 합니다. 인덕턴스의 공칭 값은 일반적으로 외부 DC 바이어스 없이 100kHz 또는 1MHz에서 측정됩니다. 그리고 대량 자동화 생산 가능성을 보장하기 위해 인덕터의 공차는 일반적으로 ±20%(M) 및 ±30%(N)입니다. 그림 5는 Wayne Kerr의 LCR 미터로 측정한 Taiyo Yuden 인덕터 NR4018T220M의 인덕턴스-주파수 특성 그래프입니다. 그림에서 보는 바와 같이 인덕턴스 값 곡선은 5MHz 이전에서는 상대적으로 평탄하며, 인덕턴스 값은 거의 상수라고 볼 수 있다. 고주파 대역에서는 기생 용량과 인덕턴스에 의해 발생하는 공진으로 인해 인덕턴스 값이 증가합니다. 이 공진 주파수를 자체 공진 주파수(SRF)라고 하며 일반적으로 작동 주파수보다 훨씬 높아야 합니다.

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그림 5, Taiyo Yuden NR4018T220M 인덕턴스-주파수 특성 측정 다이어그램

2. 임피던스(Z)

그림 6에 표시된 것처럼 임피던스 다이어그램은 다양한 주파수에서의 인덕턴스 성능에서도 볼 수 있습니다. 인덕터의 임피던스는 주파수에 대략 비례하므로(Z=2πfL), 주파수가 높을수록 리액턴스는 AC 저항보다 훨씬 커지므로 임피던스는 순수한 인덕턴스(위상은 90˚)처럼 동작합니다. 고주파수에서는 기생 용량 효과로 인해 임피던스의 자체 공진 주파수 지점을 볼 수 있습니다. 이 시점 이후에는 임피던스가 떨어지고 용량성이 되며 위상은 점차 -90˚로 변경됩니다.

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3. Q값과 AC저항(ACR)

인덕턴스의 정의에 있어서 Q값은 저항에 대한 리액턴스의 비율, 즉 식 (2)와 같이 임피던스의 실수부에 대한 허수부의 비율이다.

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여기서 XL은 인덕터의 리액턴스이고 RL은 인덕터의 AC 저항입니다.

저주파 범위에서는 AC 저항이 인덕턴스로 인한 리액턴스보다 크므로 Q 값이 매우 낮습니다. 주파수가 증가할수록 리액턴스(약 2πfL)는 표피효과(skin effect)와 근접(proximity) 효과로 인해 저항이 커지더라도 효과는 점점 커지며, Q 값은 여전히 ​​주파수에 따라 증가합니다. ; SRF에 접근할 때 유도성 리액턴스는 용량성 리액턴스에 의해 점차 상쇄되고 Q 값은 점차 작아집니다. SRF가 0이 되면 유도성 리액턴스와 용량성 리액턴스가 완전히 동일하기 때문에 사라집니다. 그림 7은 NR4018T220M의 Q값과 주파수의 관계를 보여주며, 그 관계는 역종 모양이다.

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그림 7. Taiyo Yuden 인덕터 NR4018T220M의 Q 값과 주파수 사이의 관계

인덕턴스 적용 주파수 대역에서는 Q 값이 높을수록 좋습니다. 이는 리액턴스가 AC 저항보다 훨씬 크다는 것을 의미합니다. 일반적으로 가장 좋은 Q 값은 40 이상이며 이는 인덕터의 품질이 좋다는 것을 의미합니다. 그러나 일반적으로 DC 바이어스가 증가하면 인덕턴스 값이 감소하고 Q 값도 감소합니다. 편평한 에나멜선이나 다연의 에나멜선을 사용하면 표피효과, 즉 AC저항을 감소시킬 수 있으며, 인덕터의 Q값도 높일 수 있다.

DC 저항 DCR은 일반적으로 구리선의 DC 저항으로 간주되며 와이어 직경과 길이에 따라 저항을 계산할 수 있습니다. 그러나 대부분의 저전류 SMD 인덕터는 초음파 용접을 사용하여 권선 터미널에서 SMD의 구리 시트를 만듭니다. 그러나 동선의 길이가 길지 않고 저항값도 높지 않기 때문에 용접저항이 전체 직류저항에서 상당한 부분을 차지하는 경우가 많다. TDK의 권선형 SMD 인덕터 CLF6045NIT-1R5N을 예로 들면, 측정된 DC 저항은 14.6mΩ이고, 와이어 직경과 길이를 기준으로 계산된 DC 저항은 12.1mΩ입니다. 결과는 이 용접 저항이 전체 DC 저항의 약 17%를 차지한다는 것을 보여줍니다.

AC 저항 ACR에는 표피 효과와 근접 효과가 있어 ACR이 빈도에 따라 증가합니다. 일반 인덕턴스 적용 시 AC 성분이 DC 성분보다 훨씬 낮기 때문에 ACR로 인한 영향은 분명하지 않습니다. 그러나 경부하에서는 DC 성분이 감소하므로 ACR로 인한 손실을 무시할 수 없습니다. 표피 효과는 AC 조건에서 도체 내부의 전류 분포가 고르지 않고 전선 표면에 집중되어 등가 전선 단면적이 감소하고 결과적으로 전선의 등가 저항이 증가하는 것을 의미합니다. 빈도. 또한, 전선 권선에서는 인접한 전선이 전류로 인해 자기장을 가감하게 되므로 전류는 전선에 인접한 표면(또는 전류의 방향에 따라 가장 먼 표면)에 집중됩니다. ), 이는 또한 동등한 전선 차단을 유발합니다. 면적이 감소하고 등가 저항이 증가하는 현상을 근접 효과라고 합니다. 다층 권선의 인덕턴스 적용에서는 근접 효과가 더욱 분명해집니다.

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그림 8은 권선형 SMD 인덕터 NR4018T220M의 AC 저항과 주파수 사이의 관계를 보여줍니다. 1kHz의 주파수에서 저항은 약 360mΩ입니다. 100kHz에서 저항은 775mΩ으로 상승합니다. 10MHz에서 저항값은 160Ω에 가깝습니다. 구리 손실을 추정할 때 표피 효과와 근접 효과로 인한 ACR을 고려하여 계산해야 하며 이를 식 (3)으로 수정해야 합니다.

4. 포화 전류(ISAT)

포화 전류 ISAT는 일반적으로 인덕턴스 값이 10%, 30%, 40% 등으로 감쇠될 때 표시되는 바이어스 전류입니다. 에어갭 페라이트의 경우 포화전류 특성이 매우 빠르기 때문에 10%에서 40% 사이에는 큰 차이가 없다. 그림 4를 참조하십시오. 그러나 철 분말 코어(예: 스탬핑 인덕터)인 경우 포화 곡선은 그림 9와 같이 상대적으로 완만하며 인덕턴스 감쇠의 10% 또는 40%에서의 바이어스 전류는 훨씬 큽니다. 다르기 때문에 포화 전류 값은 다음과 같이 두 가지 유형의 철심에 대해 별도로 논의됩니다.

에어 갭 페라이트의 경우 회로 애플리케이션에 대한 최대 인덕터 전류의 상한으로 ISAT를 사용하는 것이 합리적입니다. 그러나 철분심이라면 포화가 느린 특성으로 인해 응용회로의 최대 전류가 ISAT를 초과하더라도 문제가 되지 않을 것이다. 따라서 이러한 철심 특성은 스위칭 컨버터 애플리케이션에 가장 적합합니다. 부하가 심한 경우 인덕터의 인덕턴스 값은 낮지만 그림 9와 같이 전류 리플 요인은 높지만 전류 커패시터 전류 허용 오차는 높으므로 문제가 되지 않습니다. 경부하에서는 인덕터의 인덕턴스 값이 커지므로 인덕터의 리플 전류를 줄여 철손을 줄이는 데 도움이 됩니다. 그림 9는 동일한 공칭 인덕턴스 값 하에서 TDK의 권선형 페라이트 SLF7055T1R5N과 스탬핑 철 분말 코어 인덕터 SPM6530T1R5M의 포화 전류 곡선을 비교합니다.

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그림 9. 동일한 공칭 인덕턴스 값에서 권선형 페라이트와 스탬프 철 분말 코어의 포화 전류 곡선

5. 정격전류(IDC)

IDC 값은 인덕터 온도가 Tr˚C까지 상승할 때의 DC 바이어스입니다. 사양에는 20˚C에서의 DC 저항 값 RDC도 표시되어 있습니다. 구리선의 온도 계수는 약 3,930ppm이며, Tr의 온도가 상승하면 저항값은 RDC_Tr = RDC(1+0.00393Tr)이고 소비 전력은 PCU = I2DCxRDC입니다. 이 구리 손실은 인덕터 표면에서 소산되며 인덕터의 열 저항 ΘTH는 다음과 같이 계산될 수 있습니다.

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표 2는 TDK VLS6045EX 시리즈(6.0×6.0×4.5mm)의 데이터 시트를 참조하고 40˚C의 온도 상승 시 열 저항을 계산합니다. 분명히 동일한 시리즈와 크기의 인덕터의 경우 계산된 열 저항은 동일한 표면 방열 면적으로 인해 거의 동일합니다. 즉, 다양한 인덕터의 정격 전류 IDC를 추정할 수 있습니다. 다양한 인덕터 시리즈(패키지)는 열 저항이 다릅니다. 표 3은 TDK VLS6045EX 시리즈(반차폐)와 SPM6530 시리즈(몰드) 인덕터의 열 저항을 비교합니다. 열 저항이 클수록 인덕턴스가 부하 전류를 통해 흐를 때 발생하는 온도 상승이 높아집니다. 그렇지 않으면 더 낮습니다.

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표 2. 40˚C 온도 상승 시 VLS6045EX 시리즈 인덕터의 열 저항

표 3을 보면 인덕터의 크기가 비슷하더라도 스탬핑된 인덕터의 열저항이 낮다, 즉 방열이 더 좋다는 것을 알 수 있다.

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표 3. 다양한 패키지 인덕터의 열 저항 비교

6. 코어 손실

철손이라 불리는 철손은 주로 와전류 손실과 히스테리시스 손실에 의해 발생합니다. 와전류 손실의 크기는 주로 코어 재료가 "전도"하기 쉬운지 여부에 따라 달라집니다. 전도성이 높으면, 즉 저항률이 낮으면 와전류 손실이 크고, 페라이트의 저항률이 높으면 와전류 손실은 상대적으로 낮습니다. 와전류 손실은 주파수와도 관련이 있습니다. 주파수가 높을수록 와전류 손실이 커집니다. 따라서 코어 재료는 코어의 적절한 작동 주파수를 결정합니다. 일반적으로 철분 코어의 작동 주파수는 1MHz에 도달하고 페라이트의 작동 주파수는 10MHz에 도달할 수 있습니다. 작동 주파수가 이 주파수를 초과하면 와전류 손실이 급격히 증가하고 철심 온도도 증가합니다. 그러나 철심 재료의 급속한 발전으로 인해 더 높은 작동 주파수를 갖는 철심이 곧 등장할 것입니다.

또 다른 철 손실은 히스테리시스 손실이며, 이는 전류의 AC 성분의 스윙 진폭과 관련된 히스테리시스 곡선으로 둘러싸인 영역에 비례합니다. AC 스윙이 클수록 히스테리시스 손실도 커집니다.

인덕터의 등가회로에서는 철손을 표현하기 위해 인덕터와 병렬로 연결된 저항을 사용하는 경우가 많다. 주파수가 SRF와 같을 때 유도성 리액턴스와 용량성 리액턴스는 상쇄되고 등가 리액턴스는 0이 됩니다. 이때, 인덕터의 임피던스는 권선저항과 직렬인 철손 저항과 동일하며, 철손 저항은 권선저항보다 훨씬 크기 때문에 SRF에서의 임피던스는 철손 저항과 거의 같습니다. 저전압 인덕터를 예로 들면 철손 저항은 약 20kΩ이다. 인덕터 양단의 실효값 전압을 5V로 추정하면 철손은 약 1.25mW로 철손 저항이 클수록 좋다는 것을 알 수 있다.

7. 쉴드 구조

페라이트 인덕터의 패키징 구조는 비차폐형, 자성 접착제를 사용한 반차폐형, 차폐형으로 구성되며, 둘 중 어느 하나에 상당한 에어 갭이 있습니다. 분명히 에어 갭에는 자기 누출이 있으며 최악의 경우 주변 소신호 회로를 방해하거나 근처에 자성 물질이 있으면 인덕턴스도 변경됩니다. 또 다른 포장 구조는 스탬프 철 분말 인덕터입니다. 인덕터 내부에 틈이 없고 권선 구조가 견고하기 때문에 자기장 소실 문제가 상대적으로 적다. 그림 10은 RTO 1004 오실로스코프의 FFT 기능을 사용하여 스탬핑된 인덕터의 3mm 위와 측면에서 누설 자기장의 크기를 측정하는 것입니다. 표 4는 다양한 패키지 구조 인덕터의 누설 자기장을 비교한 것입니다. 비차폐 인덕터가 가장 심각한 자기 누출을 가지고 있음을 알 수 있습니다. 스탬핑 인덕터는 자기 누설이 가장 작아서 최고의 자기 차폐 효과를 나타냅니다. . 이들 두 구조의 인덕터의 누설 자기장의 크기 차이는 약 14dB로 거의 5배에 달한다.

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그림 10. 스탬핑 인덕터의 위쪽과 측면 3mm에서 측정된 누설 자기장의 크기

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표 4. 다양한 패키지 구조 인덕터의 누설 자기장 비교

8. 커플링

일부 응용 분야에서는 PCB에 여러 세트의 DC 변환기가 있는 경우가 있는데, 이는 일반적으로 서로 옆에 배열되며 해당 인덕터도 서로 옆에 배열됩니다. 자기 접착제가 포함된 비차폐형 또는 반차폐형을 사용하는 경우 인덕터가 서로 결합되어 EMI 간섭을 형성할 수 있습니다. 따라서 인덕터를 배치할 때 인덕터의 극성을 먼저 표시하고 인덕터의 가장 안쪽 레이어의 시작점과 권선점을 벅 컨버터의 VSW와 같은 컨버터의 스위칭 전압에 연결하는 것이 좋습니다. 그것이 움직이는 지점이다. 콘센트 터미널은 정적 지점인 출력 커패시터에 연결됩니다. 따라서 구리선 권선은 어느 정도의 전기장 차폐를 형성합니다. 멀티플렉서의 배선 배열에서 인덕턴스의 극성을 고정하면 상호 인덕턴스의 크기를 고정하고 예상치 못한 EMI 문제를 방지하는 데 도움이 됩니다.

신청:

이전 장에서는 인덕터의 핵심 재료, 패키지 구조 및 중요한 전기적 특성에 대해 논의했습니다. 이 장에서는 벅 컨버터의 적절한 인덕턴스 값을 선택하는 방법과 상용 인덕터를 선택할 때 고려해야 할 사항에 대해 설명합니다.

방정식 (5)에 표시된 것처럼 인덕터 값과 컨버터의 스위칭 주파수는 인덕터 리플 전류(ΔiL)에 영향을 미칩니다. 인덕터 리플 전류는 출력 커패시터를 통해 흐르고 출력 커패시터의 리플 전류에 영향을 미칩니다. 따라서 이는 출력 커패시터 선택에 영향을 미치고 출력 전압의 리플 크기에도 영향을 미칩니다. 또한 인덕턴스 값과 출력 커패시턴스 값은 시스템의 피드백 설계와 부하의 동적 응답에도 영향을 미칩니다. 더 큰 인덕턴스 값을 선택하면 커패시터에 대한 전류 스트레스가 줄어들고 출력 전압 리플을 줄이는 데에도 도움이 되며 더 많은 에너지를 저장할 수 있습니다. 그러나 인덕턴스 값이 클수록 부피가 커진다는 의미, 즉 비용이 높아진다는 뜻입니다. 따라서 컨버터를 설계할 때 인덕턴스 값의 설계는 매우 중요하다.

(5)

식 (5)에서 알 수 있듯이 입력 전압과 출력 전압 사이의 갭이 클수록 인덕터 리플 전류가 커지며 이는 인덕터 설계의 최악 조건입니다. 다른 유도 분석과 결합하여 강압 컨버터의 인덕턴스 설계 지점은 일반적으로 최대 입력 전압 및 최대 부하 조건에서 선택해야 합니다.

인덕턴스 값을 설계할 때에는 인덕터 리플 전류와 인덕터 크기 사이의 트레이드 오프(trade-off)가 필요하며 여기서 리플 전류 계수(리플 전류 계수; γ)는 식(6)과 같이 정의됩니다.

(6)

식(6)을 식(5)에 대입하면 인덕턴스 값은 식(7)과 ​​같이 표현될 수 있다.

(7)

공식(7)에 따르면 입력 전압과 출력 전압의 차이가 클수록 γ 값을 더 크게 선택할 수 있습니다. 반대로, 입력 및 출력 전압이 더 가까우면 γ 값 설계가 더 작아야 합니다. 인덕터 리플 전류와 크기 중에서 선택하기 위해 전통적인 설계 경험 값에 따라 γ는 일반적으로 0.2~0.5입니다. 다음은 인덕턴스 계산과 시중에서 판매되는 인덕터 선택을 설명하기 위해 RT7276을 예로 들어 설명합니다.

설계 예: RT7276 고급 정온 시간(Advanced Constant On-Time; ACOTTM) 동기 정류 강압 컨버터로 설계되었으며 스위칭 주파수는 700kHz, 입력 전압은 4.5V~18V, 출력 전압은 1.05V입니다. . 완전 부하 전류는 3A입니다. 위에서 언급한 바와 같이 인덕턴스 값은 최대 입력전압 18V, 풀부하 3A 조건에서 설계해야 하며, γ값을 0.35로 취하여 위의 값을 식(7)에 대입하면 인덕턴스는 가치는

기존 공칭 인덕턴스 값이 1.5μH인 인덕터를 사용하십시오. 인덕터 리플 전류를 계산하려면 식 (5)를 다음과 같이 대체하십시오.

따라서 인덕터의 피크 전류는 다음과 같습니다.

인덕터 전류(IRMS)의 실효값은 다음과 같습니다.

인덕터 리플 성분이 작기 때문에 인덕터 전류의 실효값은 주로 DC 성분이며, 이 실효값은 인덕터 정격 전류 IDC를 선택하는 기초로 사용됩니다. 80% 감소(감소) 설계의 인덕턴스 요구 사항은 다음과 같습니다.

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

표 5에는 크기는 비슷하지만 패키지 구조가 다른 다양한 TDK 시리즈의 사용 가능한 인덕터가 나열되어 있습니다. 표를 보면 스탬핑 인덕터(SPM6530T-1R5M)의 포화 전류와 정격 전류가 크고, 열저항이 작고 방열이 좋은 것을 알 수 있다. 또한, 이전 장의 논의에 따라 스탬핑 인덕터의 코어 재료는 철분 코어이므로 반차폐형(VLS6045EX-1R5N) 및 차폐형(SLF7055T-1R5N) 인덕터의 페라이트 코어와 비교한다. 자석 접착제로. , DC 바이어스 특성이 양호합니다. 그림 11은 RT7276 고급 정온 시간 동기 정류 강압 컨버터에 적용된 다양한 인덕터의 효율성 비교를 보여줍니다. 결과는 세 가지 간의 효율성 차이가 크지 않다는 것을 보여줍니다. 방열, DC 바이어스 특성 및 자기장 방산 문제를 고려한다면 SPM6530T-1R5M 인덕터를 사용하는 것이 좋습니다.

(5)

표 5. 다양한 TDK 시리즈의 인덕턴스 비교

11

그림 11. 다양한 인덕터의 컨버터 효율 비교

동일한 패키지 구조와 인덕턴스 값을 선택하지만 SPM4015T-1R5M(4.4×4.1×1.5mm)과 같은 더 작은 크기의 인덕터를 선택하면 크기는 작지만 DC 저항 RDC(44.5mΩ) 및 열 저항 ΘTH( 51˚C) /W) 더 큽니다. 동일한 사양의 컨버터의 경우 인덕터가 허용하는 전류의 유효 값도 동일합니다. 분명히 DC 저항은 과부하 시 효율을 감소시킵니다. 또한, 열 저항이 크다는 것은 열 방출이 좋지 않다는 것을 의미합니다. 따라서 인덕터를 선택할 때 크기 감소의 이점을 고려할 필요가 있을 뿐만 아니라 그에 따른 단점도 평가해야 합니다.

결론적으로

인덕턴스는 에너지 저장 및 필터링에 사용될 수 있는 스위칭 전력 변환기에서 일반적으로 사용되는 수동 부품 중 하나입니다. 그러나 회로 설계에 있어서 주의해야 할 것은 인덕턴스 값뿐만 아니라 AC 저항 및 Q 값, 전류 허용 오차, 철심 포화도, 패키지 구조 등을 포함한 다른 매개 변수도 모두 고려해야 할 매개 변수입니다. 인덕터를 선택할 때 고려해야 합니다. . 이러한 매개변수는 일반적으로 핵심 재료, 제조 공정, 크기 및 비용과 관련됩니다. 따라서 이 기사에서는 다양한 철심 재료의 특성과 전원 공급 장치 설계의 참고 자료로 적절한 인덕턴스를 선택하는 방법을 소개합니다.