magyar elektronika

E-mail cím:*

Név:

{a-feliratkozással-elfogadja-az-adl-kiadó-kft-adatvédelmi-és-adatkezelési-tájékoztatóját-1}

 

Texas PowerTips cikksorozat lid melletti abra 11 reszAz induktivitás csak látszólag egyszerű alkatelem. Valódi bonyolultságát különösen teljesítményelektronikai környezetben szereti megmutatni, amelyet nemegyszer „fájdalmas igazságként” hoz a fejlesztőmérnök tudomására. Az ilyen kellemetlen meglepetéseket segít megelőzni Robert Kollman sorozatának e havi folytatása.

.

 

 

Ne égesse össze magát az induktivitás magveszteségeivel

 

Megtörtént már az olvasóval, hogy bekapcsolt egy feszültségcsökkentő (buck) kapcsolóüzemű tápegységet, megvizsgálta a működését teljes terhelésnél, és amikor az alkatrészek melegedését tapintással ellenőrizte, maradandó „emléket” szerzett, amikor az induktív tekercsre került a sor? Könnyen lehet, hogy az ilyen „üzemi balesetek”  felelőse (a fejlesztőmérnök óvat­lan­ságán kívül – a szerk. megj.) a tekercs magveszteségének és tekercselési veszteségének a kiugróan magas értéke. 100 kHz-es kapcsolási frekvenciánál ez a veszteség általában nem jelent problémát, mert ilyenkor a magveszteség a teljes tekercsveszteségnek legfeljebb 5…10%-a, és ezért a vele járó hőmérséklet-emelkedés sem jelentős.

Tipikus, hogy amikor a tervező kiválaszt egy induktivitást, akkor legfeljebb a maximális terhelőáramot veszi figyelembe, és olyan alkatrészt választ, amelynek terhelhetőségébe még a terhelő egyenáramot 20%-kal meghaladó váltakozó áramú komponens is „belefér”. Ez helyénvaló is lenne, tehát a hőmérséklet-emelkedés sem haladná meg az adatlapban megadott értéket, ha a magveszteséget elhanyagolhatnánk. Ezzel szemben az 500 kHz-et meghaladó kapcsolási frekvenciákon a magveszteség és a tekercselésben fellépő váltakozó áramú veszteség alaposan lecsökkenti az induktivitáson folyó egyenáramú komponens megengedhető értékét. 20% váltakozó áramú áramkomponenssel (ripple) számolva az induktivitás a frekvenciától függetlenül ugyanakkora fluxust okoz a maganyagban. A magveszteség (Pcore) képlete általánosan a következő:

 

texas_powertips_11_1_keplet

 

Ebből az következik, hogy miközben a frekvencia 100 kHz-ről 500 kHz-re változik, a magveszteség nyolcszorosára nő. Ezt a növekedést mutatja az 1. ábra, amelyről az is leolvasható, hogy miközben a vasveszteség növekszik, milyen mértékben kell csökkenteni a megengedhető rézveszteséget ahhoz, hogy az eszköz túlmelegedése ne haladja meg az adatlapon megengedett maximumot. 100 kHz-en majdnem az összes veszteség a rézvezetékben keletkezik, aminek következménye, hogy az eszközre megadott egyenáramú terhelhetőség teljes mértékben kihasználható. Nagyobb frekvenciákon viszont a vasveszteség egyre nagyobb szerepet kap. Mivel az alkatrészre megengedett összes veszteségi teljesítmény a vasmagban és a rézvezetékben hővé alakuló veszteségi teljesítmények összege, növekvő vasveszteségnél a rézveszteséget ugyanolyan mértékben csökkenteni kell. Ez addig folytatódik, míg a kétféle veszteség egyenlő nem lesz. Ez a nagyobb kapcsolási frekvencián elérhető optimum. Ezzel lehet a mágneses szerkezetet maximális terhelőáramra igénybe véve a legjobban kihasználni.

 

texas_powertips_11_1_abra

 

texas_powertips_11_2_abra

 

Az 1. és 2. ábránál állandó magtérfogatot és csévetest-keresztmetszetet tételeztünk fel, amelyben csupán a menetszám változott. A 2. ábra mutatja az induktivitás és a megengedhető egyenáram függését – figyelembe véve a magveszteségnek az 1. ábrán mutatott viselkedését. 1,3 MHz-es kapcsolási frekvencia alatt az induktivitás fordítottan arányos a kapcsolási frekvenciával. Az induktivitás minimumát nagyjából 1,3 MHz-nél éri el. Ennél nagyobb frekvenciákon az induktivitásnak növekednie kell egészen addig, amíg a magfluxus korlátozásába nem ütközik, és ezért a magveszteség a teljes veszteség 50%-ára korlátozódik. Kiszámíthatjuk az induktivitáson megengedhető áram ebből következő határértékét is. Alacsony frekvencián, ahol a mag­veszteségek nem jelentősek, az áram maximális értékét a tekercselésben keletkező (réz)veszteség limitálja.

Az induktivitást kifejező alábbi egyen­letben az N menetszám arányos a frekvencia négyzetgyökének reciprok értékével, tehát a frekvencia kétszeres növekedéséhez (mivel a szükséges L induktivitás ilyenkor a felére csökken), az N menetszám 0,707-szeresére változik.

 

texas_powertips_11_2_keplet

 

Ez a tekercselésre kétféle módon hat. 30%-kal kevesebb menetet kell elhelyezni, és 41%-kal több felület áll rendelkezésre egy menet elhelyezéséhez. Mivel a tekercs ellenállása a menetszám és a menetek keresztmetszetének hányadosától függ, az ellenállás a frekvencia növekedésével lineárisan csökken – azaz a jelen példában a felére.
Nagyobb frekvenciákon a magveszteség kezdi korlátozni a megengedhető rézveszteséget egészen addig a pontig, ahol a kétféle veszteség egyenlővé válik. Ennél a pontnál az induktivitást a menetszám növelésével növelni kell, hogy csökkentse a fluxust. Ilyenkor a tekercs áramterhelhetősége már csökken. Az eredmény tehát egy (az induktív tekercs mérete szempontjából) optimális frekvencia.
Összegezve: igaz az az elmélet, hogy a növekvő kapcsolási frekvenciával a szükséges induktív alkatrészek mérete csökken, de csak addig a pontig, míg a vasveszteség és a váltakozó áramú tekercsveszteség együtt egyenlő nem lesz a rézveszteséggel. Ezen a ponton túl viszont a mágneses tekercsek mérete ismét csak növekszik. A tervezőknek azt is szem előtt kell tartaniuk, hogy egyre több nagyfrekvenciás kapcsolóüzemű eszköz kerül ugyan forgalomba, ám az ezekhez ajánlott induktív elemek adatlapjai és alkalmazástechnikai értesítői nem kellő hangsúllyal hívják fel a figyelmet a túlzott vasveszteségből adódó problémákra.

Többet tudhat meg erről és más teljesítményelektronikai megoldásokról a www.ti.com/power-ca webhelyen. A következő folytatásunkban egy több kimenetű SEPIC-feszült­ségátalakító előnyeit értékeljük.

www.power.ti.com

http://www.ti.com/ww/hu/cikkek-szakirodalom.html

 

A cikksorozat korábbi részei:

1. rész

2. rész

3. rész

4. rész

5. rész

6. rész

7. rész

8. rész

9. rész

10. rész

 

A szerző

robert_kollmanRobert Kollman, a Texas Instruments műszaki állományának kiemelt tagja, vezető alkalmazástechnikai mérnök. Több mint 30 év tapasztalattal rendelkezik a teljesítményelektronikában és egy ideig induktív alkatrészeket tervezett az 1 W alattitól a csaknem 1 MW-ig terjedő teljesítménytartományú elektronikus áramkörökhöz, egészen a megahertzes kapcsolási frekvenciákig. Robert Kollman a Texas A&M Egyetemen BSEEdiplomát, majd a Déli Metodista Egyetemen Master-fokozatot (MSEE) szerzett. A cikksorozattal kapcsolatban a powertips@list.ti.com címen érhető el.