Силовые индуктивности компании TDK

В силовой электронике индукторы чаще всего используются в качестве дросселя выходного фильтра в AC/DC- и DC/DC-преобразователях для сглаживания тока и запасания энергии. При этом практически все производители преобразователей приводят в справочной документации расчет, в котором указываются параметры фильтра, следовательно, и индуктивность дросселя. Однако для корректного выбора дросселя требуется знать не только его индуктивность, но и конструктивные особенности, а о них производители преобразователей в своих расчетах умалчивают.

Разумеется, индукторы производит не только компания TDK, но, пожалуй, из активно присутствующих на российском рынке компаний самый большой выбор индукторов, в т.ч. силовых, – именно у TDK. В производственной линейке компании – более 10 тыс. наименований. Имеется возможность подобрать индукторы практически для любого приложения, включая автомобильную электронику. Компания производит индукторы, соответствующие требованиям стандарта AEC-Q200 с диапазоном рабочей температуры –40…125 и –55…150°С. Такие индукторы могут работать в электронных блоках, устанавливаемых в подкапотном пространстве транспортного средства.

Индукторы для силовой электроники должны быть рассчитаны на большой ток, иметь малое сопротивление на постоянном токе R_DC и высокую добротность. Через индуктор фильтра протекает пульсирующий ток с большой постоянной составляющей; гармоники высших порядков в нем невелики. Таким образом, собственная резонансная частота (SFR) не является критичным параметром – достаточно, чтобы ее величина не менее чем в 7–10 раз превышала рабочую частоту преобразователя.

При выборе силового индуктора, помимо значения его индуктивности, максимального тока и диапазона рабочей температуры, требуется определиться с материалом сердечника и конструктивным исполнением, которое может быть следующим:

• полностью экранированное;
• полуэкранированное;
• цельнолитьевое;
• неэкранированное.

Рис. 1. Конструктивные варианты исполнения индукторов

Все варианты конструкции показаны на рисунке 1. Корректный выбор конструктивного исполнения необходим для обеспечения электромагнитной совместимости (ЭМС). Из-за индуктивности рассеяния индуктора излучаются радиопомехи, которые могут превысить допустимые пороговые значения, установленные стандартами ЭМС, а также вызвать дополнительные шумы в сигнальных цепях системы и на шинах питания.

Как видно из рисунка 1, самый большой поток рассеяния генерируется неэкранированным сердечником из-за разомкнутого магнитного сердечника. Уменьшить индуктивность рассеяния можно с помощью цельнолитьевых, полуэкранированных или полностью экранированных индукторов. Однако не стоит безоглядно их применять – их конструкция сложнее, и они дороже неэкранированных. К тому же у них, как правило, меньше ток насыщения и больше габариты. Следовательно, необходимо сначала наверняка убедиться, что неэкранированный индуктор непригоден для проектируемой системы. Для этого требуется предпринять следующие действия.

• Проверить схему подключения. Необходимо, чтобы начало обмотки индуктора было подключено к источнику помех. В этом случае при многослойной обмотке верхний слой обмотки будет служить экраном.
• При возможности выбирается индуктор меньшего размера; при этом уменьшится и индуктивность рассеяния.

Только в том случае, если излучаемые помехи не уменьшились до требуемой величины, следует использовать экранированный индуктор.

Рис. 2. Зависимости относительной индуктивности индукторов с ферритовым и металлическим сердечниками от тока

Материалом сердечника могут служить ферриты или металлические сплавы. Поскольку у ферритовых сердечников больше магнитная проницаемость, чем у сердечников из металла, при прочих равных условиях сопротивление R_DC и потери в меди у таких индукторов меньше. Однако переход кривой намагничивания в зону насыщения и, соответственно, уменьшение индуктивности у ферритовых сердечников носит явно выраженный характер, как видно из рисунка 2. На нем показаны зависимости относительной индуктивности индукторов с ферритовым и металлическим сердечниками от тока. Как видно из этого рисунка, начиная с точки насыщения, величина индуктивности индуктора с ферритовым сердечником резко уменьшается. Это обстоятельство необходимо учитывать, если предполагается значительная величина пульсации тока, например при работе преобразователя в режиме прерывистых токов. В этом случае ток пульсации дросселя фильтра существенно превосходит средний ток, поэтому для работы в таких режимах предпочтительно выбирать индуктор с сердечником из металлических сплавов.

При малых нагрузках некоторые преобразователи для увеличения КПД могут переходить в режим частотной модуляции (ЧИМ). При этом частота коммутации может уменьшиться до диапазона звуковой частоты. В этом случае индуктор фильтра может генерировать акустический шум, что в некоторых случаях может оказаться неприемлемым.

Возможны две причины возникновения шума. Во-первых, шум возникает в неэкранированных индукторах из-за вибрации проводов обмотки, которую вызывают потоки рассеяния, и в экранированных индукторах из-за взаимного притяжения частей сердечника. Решить проблему позволяет цельнолитьевой дроссель. В нем отсутствуют отдельные части сердечника, а обмотка залита в магнитомягкий порошковый материал. Учитывая, что сердечники индукторов TDK изготавливается из материалов с низким уровнем магнитострикции, такая замена должна дать гарантированно положительный результат.

Второй причиной акустического шума могут стать компоненты из магнитного материала, расположенные настолько близко от индуктора, что на них влияет его поле рассеяния. В этом случае не обойтись без изменения конструкции платы – необходимо удалить эти компоненты от индуктора.

В продуктовую линейку компании входят тысячи силовых индукторов. Чтобы облегчить выбор, на сайте TDK выложены в свободном доступе онлайн-инструменты, в состав которых входят симуляторы, SPICE, LTspice, PSpace, S-параметры, библиотеки, эквивалентные схемы.

В таблице 1 приводятся диапазоны размеров и индуктивностей силовых индукторов общего назначения, а в таблице 2 указаны эти же параметры для силовых индукторов автомобильной электроники, соответствующих стандарту AEC-Q200.

Таблица 1. Индукторы общего назначения

Таблица 2. Индукторы для автомобильной электроники