Induktanssi on tärkeä osa DC/DC-virtalähdettä. Induktoria valittaessa on otettava huomioon monia tekijöitä, kuten induktanssin arvo, DCR, koko ja kyllästysvirta. Induktorien kyllästysominaisuudet ymmärretään usein väärin, ja ne aiheuttavat ongelmia. Tässä artikkelissa käsitellään, miten induktanssi saavuttaa kyllästyksen, miten kyllästyminen vaikuttaa piiriin ja miten induktanssin kyllästyminen havaitaan.
Induktanssin kyllästymisen syyt
Ymmärrä ensin intuitiivisesti, mitä induktanssin saturaatio on, kuten kuvassa 1 on esitetty:
Kuva 1
Tiedämme, että kun virta kulkee kuvassa 1 olevan kelan läpi, kela tuottaa magneettikentän;
Magneettinen ydin magnetoituu magneettikentän vaikutuksesta ja sisäiset magneettiset domeenit pyörivät hitaasti.
Kun magneettinen ydin on täysin magnetoitu, magneettisen domeenin suunta on sama kuin magneettikenttä. Vaikka ulkoinen magneettikenttä kasvaisi, magneettisella ytimellä ei ole pyörivää magneettista domeenia ja induktanssi siirtyy kylläiseen tilaan.
Toisesta näkökulmasta katsottuna kuvassa 2 esitetyssä magnetisaatiokäyrässä magneettivuon tiheyden B ja magneettikentän voimakkuuden H välinen suhde vastaa kuvassa 2 oikealla olevaa kaavaa:
Kun magneettivuon tiheys saavuttaa arvon Bm, magneettivuon tiheys ei enää kasva merkittävästi magneettikentän voimakkuuden kasvaessa, ja induktanssi saavuttaa kyllästyspisteen.
Induktanssin ja permeabiliteetin µ välisestä suhteesta voimme nähdä:
Kun induktanssi kyllästyy, µm pienenee huomattavasti ja lopulta induktanssi pienenee huomattavasti ja kyky vaimentaa virtaa menetetään.
Kuva 2
Vinkkejä induktanssin saturaation määrittämiseen
Onko olemassa vinkkejä induktanssin saturaation arvioimiseksi käytännön sovelluksissa?
Se voidaan tiivistää kahteen pääluokkaan: teoreettinen laskenta ja kokeellinen testaus.
☆Teoreettinen laskelma voi alkaa suurimmasta magneettivuon tiheydestä ja suurimmasta induktanssivirrasta.
☆Kokeellinen testi keskittyy pääasiassa induktanssivirran aaltomuotoon ja joihinkin muihin alustaviin arviointimenetelmiin.
Näitä menetelmiä kuvataan alla.
Laske magneettivuon tiheys
Tämä menetelmä soveltuu induktanssin suunnitteluun magneettisydämen avulla. Sydämen parametreja ovat magneettipiirin pituus le, efektiivinen pinta-ala Ae ja niin edelleen. Magneettisen sydämen tyyppi määrää myös vastaavan magneettisen materiaalin laadun, ja magneettinen materiaali ottaa vastaavat huomioon magneettisen sydämen häviöt ja kyllästymismagneettivuon tiheyden.
Näillä materiaaleilla voimme laskea suurimman magneettivuon tiheyden todellisen suunnittelutilanteen mukaan seuraavasti:
Käytännössä laskelmaa voidaan yksinkertaistaa käyttämällä ui:tä ur:n sijaan; Lopuksi, vertaamalla magneettisen materiaalin kyllästysvuontiheyttä voimme arvioida, onko suunnitellulla induktanssilla kyllästysriski.
Laske suurin induktanssivirta
Tämä menetelmä soveltuu piirien suunnitteluun suoraan käyttämällä valmiita induktoreita.
Erilaisilla piiritopologioilla on erilaiset kaavat induktanssivirran laskemiseksi.
Otetaan esimerkkinä Buck-siru MP2145, se voidaan laskea seuraavan kaavan mukaisesti, ja laskettua tulosta voidaan verrata induktanssin spesifikaatioarvoon sen määrittämiseksi, onko induktanssi kyllästynyt.
Induktiivisen virran aaltomuodon perusteella
Tämä menetelmä on myös yleisin ja käytännöllisin menetelmä insinööritieteissä.
Esimerkkinä MP2145 käytetään MPSmart-simulointityökalua simulointiin. Simulointiaaltomuodosta voidaan nähdä, että kun induktori ei ole kyllästynyt, induktorivirta on kolmiomainen aalto, jolla on tietty kulmakerroin. Kun induktori on kyllästynyt, induktorivirran aaltomuodossa on selvä vääristymä, joka johtuu induktanssin laskusta kyllästymisen jälkeen.
Tekniikan käytännössä voimme havaita, onko induktanssivirran aaltomuodossa vääristymää, ja tämän perusteella arvioida, onko induktanssi kyllästynyt.
Alla on MP2145-demokortin mitattu aaltomuoto. Voidaan nähdä, että saturaation jälkeen on selvää vääristymää, mikä on yhdenmukaista simulaatiotulosten kanssa.
Mittaa, onko induktanssi epänormaalin kuuma ja kuuntele epänormaalia viheltämistä
Tekniikan alalla on monia tilanteita, joissa emme ehkä tiedä tarkkaa ydintyyppiä, induktanssin kyllästysvirran suuruutta on vaikea tietää, ja joskus induktanssivirran testaaminen ei ole kätevää. Tässä vaiheessa voimme myös alustavasti määrittää, onko kyllästys tapahtunut, mittaamalla, onko induktanssilla epänormaali lämpötilan nousu, tai kuuntelemalla, onko epänormaalia huutoa.
Tässä on muutamia vinkkejä induktanssin saturaation määrittämiseen. Toivottavasti niistä oli apua.
Julkaisun aika: 07.07.2023
