Laddade EVS | En närmare titt på induktorer och kvävningar i EVS

Traktionsmotorer och transformatorer är de magnetiska komponenterna som verkar få all uppmärksamhet, men den ödmjuka induktören/choken är lika kritisk en komponent i moderna kraftomvandlare, och det har förvånansvärt djupa effekter på prestanda, tillförlitlighet och kostnad. En annan frestelse för den förvirrade designingenjören (eller en som bara är kort i tid-men är det inte vi alla?) Är det att det finns många induktorer/kvävningar tillgängliga COTS (kommersiellt utanför hyllan), vilket i allmänhet inte är fallet för transformatorer, och att välja en COTS-del är inte nödvändigtvis ett dåligt alternativ-specialistleverantörer erbjuds mycket högkvalitativa, magnetiska komponenter, och eventuellt för en COTS-del är inte nödvändigtvis ett dåligt alternativ-specialistleverantörer erbjuder mycket högkvalitativa, magnetiska komponenter, till och med en del av en del av en COTS-del är inte nödvändigtvis ett dåligt alternativ-Specialist Supplers erbjuder mycket högkvalitet mängder.

Det befriar emellertid inte designingenjören från att verifiera lämpligheten för en COTS -komponent i en given applikation, eftersom det sista du vill är att en komponent som du knappt har fått en ockult källa till ineffektivitet, otillförlitlighet eller att de flesta fruktade resultat: att få enheten att misslyckas med att misslyckas med elektromagnetisk kompatibilitet (EMC) testning.

Medan en choke tekniskt är en specifik typ av induktor (en som kan hantera betydande DC -förspänning innan man mättar helt), missbrukas termen ofta (t.ex. ”Common Mode Choke” som finns i nästan alla AC -nätfilter ser aldrig DC, så det är inte en choke). Därför är det förmodligen bäst att behandla termerna induktor och kväva som utbytbara. Som sagt, induktorer används i stort sett för tre huvudfunktioner i EVs: i konventionella lågpass LC-filternät för att producera (rimligt) rena DC-utgångar i SwitchMode-kraftomvandlare; i avstämda (aka resonant) LC-nätverk, antingen i uttryckligen-resonantomvandlare topologier, eller bara för att minska förluster under växlingsövergångarna i PWM-topologier (aka kvasi-resonant eller mjukbyte); och i EMI-filter för att blockera utsläppet (eller mottagningen) av radiofrekvensbrus.

Dessa applikationer ställer mycket olika krav på induktorer, därmed den tidigare förmaningen att bara för att du kan få en barnsängar betyder inte nödvändigtvis att det kommer att fungera så bra i den specifika delen av kretsen du har tappat den i.

De allra flesta induktorer som används i kraftomvandlare, oavsett topologi, kommer att ha en ferromagnetisk kärna – det vill säga inte vara en enkel spole av tråd – och för det mesta att kärnan kommer att vara i en form så att det magnetiska flödet från lindningarna kan följa en helt stängd slinga (en toroid är det klassiska exemplet här). Den senare funktionen kanske inte är nödvändig för kretsens funktion, men det är nyckeln om du vill klara EMC -efterlevnadstest, eftersom alla flödeslinjer som inte undviker kärnan kommer att orsaka brusproblem någon annanstans.

Till exempel har de nu allestädes närvarande trumkärniga SMT-induktorerna som kan se idealiska för användning i lågkrafts hjälpomvandlare inte en stängd magnetslinga-flödeslinjerna måste passera genom luften för att slutföra sin krets-som kan förvandla dessa små djävlar till miniatyrkanoner ”(en verklig sobriquet som jag har hört använt för att beskriva dem). Att välja en kärnform som stänger flödesslingan är dock bara en del av striden, eftersom andra parametrar och designmål ofta är ömsesidigt exklusiva, så kompromiss är oundviklig. Till exempel tenderar kärnmaterial som är optimerade för låga AC -förluster (hysteres och virvel) att ha en lägre mättnadsflödesdensitet, så det kommer att kräva mer kärnarea för en given induktans och krafthanteringsförmåga, vilket i sin tur ökar mängden borttagen kapacitans och så vidare.

Seriens huvudfunktion i ett LC -utgångsfilter är att minska mängden AC -rippel som ses av shuntkondensatorn som följer den utan att också överväldigas av DC som strömmar genom den. Detta ökar vikten av att minimera DC -förlusterna för lindningarna över AC -förlusterna av samma och kärnan.

Ett enda lager av konventionell magnettråd (med flera strängar parallellt om det behövs för att uppnå målströmbetyget) fungerar vanligtvis bra. Även möjlig (på bekostnad av högre stray kapacitans) är Edgewound platt trådkonstruktion – denna typ föredras vid högre nuvarande betyg, särskilt vid måttliga växlingsfrekvenser (under 150 kHz), även om den tenderar att ha en högre borttagningskapacitans. När det gäller själva kärnan kommer nästan alla ”kraftmaterial” att fungera här (i motsats till material optimerade för RF/inställda kretsar eller, värre, EMI -filter), så länge det antingen finns ett uttryckligt eller distribuerat luftgap för att förhindra mättnad från DC -förspänningen.

Gapet är uttryckligt (dvs. ett bokstavligt gap) i ferritkärnor, och kärnor med standardgaplängder finns tillgängliga barnsängar från de flesta tillverkare, även om det finns liten straff i att specificera ett anpassat gap så länge du köper tillräckligt med dem och kan vänta med att få dem bearbetade, eftersom det tar diamantverktyg för att klippa ferrite. Observera emellertid att ett diskret gap kommer att vara en potent emiter av EMI, så det kommer nästan säkert att behöva skyddas av lindningarna (till bekostnad av ökade växelförluster i dem), varför klyftan nästan alltid skärs i mittbenet av (till exempel) pot- eller e-formade kärnor; Att skumma kärnhalvorna kan vara bra för prototyper, men inte för produktion.

Kärnor som använder en blandning av pulverformad metall och ett bindemedel har vanligtvis ett distribuerat gap som kan justeras av tillverkaren genom att variera förhållandet mellan de två. Liksom med ferriter finns det flera standardgap tillgängliga (specificerade indirekt via permeabiliteten), men här finns det en mycket högre kostnadsstraff för anpassade värden, så man rekommenderas starkt att hålla sig till standarderbjudanden.

Induktorer som används i avstämda (resonanta) LC-nätverk utsätter inte någon DC-förspänning, men drivs vanligtvis vid mycket högre frekvenser, att det är ett av de viktigaste målen för resonans (eller kvasi-resonant). Följaktligen läggs ganska mer betoning på att minimera AC-förlusterna i både kärnan och lindningarna över att helt enkelt minimera lindningsmotståndet, men med en större förbehåll: den cirkulerande strömmen i en helt resonant omvandlare som fungerar nära resonans kommer att vara betydligt högre än den faktiska belastningsströmmen (flera gånger högre, kanske), så att lindande motstånd inte bör ignoreras helt.

Kärnförlusterna är resultatet av hysteres, eller den ansträngning som spenderas för att vända de magnetiska domänerna fram och tillbaka, och virvelströmmar, som uppstår från strömmar som induceras i kärnan som är normal till den magnetiska flödesvägen. Hysteresförluster är helt och hållet en funktion av kärnmaterialet. Ferrit och låg-mix pulveriserat järn presterar det bästa, eftersom molypermalloy pulver (MPP) och andra pulverformade metallblandningar handlar högre förluster för ett högre permeabilitetsvärde och mättnadsflödesdensitet.

Eddy strömförluster är en funktion av både kärnmaterial och dess konstruktion – en högre bulkresistivitet och en minimalt tjock dimension hjälper mest. Naturligtvis är de lägsta kärnförlusterna resultatet av att inte ha någon kärna alls, och detta kan mycket väl vara ett alternativ vid frekvenser över 500 kHz eller så, men om du inte vill att denna induktor ska vara en EMI -kanon så skulle det fortfarande vara bäst att göra det toroidalt i form.

Den lindande konstruktionen för resonansinduktorer är ganska svårare att optimera ur ett förlust-vs-kostnadsperspektiv, eftersom den vanliga och lågkostnadstekniken för att vrida ihop flera mindre magnettrådar för att få den nödvändiga nuvarande betyg kanske inte fungerar nästan så bra i en resonansapplikation på grund av hud- och närhetseffekter. Hudeffekt är ett fenomen där virvelströmmar inducerade till en tråd av den mycket högfrekventa strömmen. Det är bärande kraft som sagt i en ring, utan ström som strömmar i mitten, och denna effekt skalar med kvadratroten av frekvens och kvadratet av diametern. Till exempel kan den maximala frekvensen A #18 AWG -tråd (~ 1 mm diameter) bära innan huddjupet börjar påverka den är ~ 17 kHz, och detta sjunker till en ren ~ 4,2 kHz för #12 AWG (~ 2 mm diameter).

Ett stort antal strängar kommer att behövas för att minimera förluster för hudeffekt över 200 kHz eller så, men såvida inte varje sträng spenderar samma tid (så att säga) mot kärnan och ledningsytan, börjar närhetseffekten att dominera förlusterna (detta är i princip hudeffekt som uppstår från magnetfälten från angränsande lindningsskikt). Både hud- och närhetseffekter kan lindras med Litz -tråd, som består av många (upp till hundratals!) Av individuellt isolerade trådar som är vävda på ett sådant sätt att var och en av dem kontinuerligt ändrar sin position mellan mitten och perimetern av tråden.

Det finns praktiska gränser för hur långt detta koncept kan tas, eftersom kostnaden för Litz går upp med sträng/buntantal, medan de enskilda strängarna kommer att bli för små för att motstå vävnings- och buntningsprocessen vid någon tidpunkt (den vanliga avgränsningen är cirka #44 AWG). Det finns också mer subtila skäl att hålla strängräkningen nere, till exempel ett ökande förhållande mellan isolering och koppar, och det faktum att närhetseffekten sker mellan varje tråd och varje bunt strängar (om än inte i samma grad som mellan faktiska lindningsskikt).

Resultatet av allt detta är att det ofta kommer att vara mer ekonomiskt att gå upp ett steg eller två i kärnstorleken bara för att minska antalet varv som krävs för att uppnå målinduktansen, och särskilt för att hålla alla svängar i ett lager (vilket också dramatiskt minskar den slitande kapacitansen för lindningen). Trots detta kommer drift vid> 200 kHz eller så nästan säkert att kräva Litz, så budgeten för den kostnadsökningen i enlighet därmed.

Den slutliga applikationen för induktorer är EMI/brusfiltrering, och här är höga AC -förluster i både lindningen och kärnan mer en funktion än ett fel, och att gå med en COTS -komponent kan vara det bästa valet. Om du rullar din egen-eller bara för att bättre välja en COTS-komponent-är det att minimera slingrans kapacitans är en relativt högre prioritet än något annat, eftersom denna kapacitans är en primärvektor för högfrekventa brus för att kringgå induktören och besegra dess syfte.

Ett enda lager som slingrar sig med en enda Magnettråd med lämplig mätare för strömmen är den föredragna konstruktionen här. If the EMI filter inductor will have to carry considerable DC or low-frequency (ie mains) AC current for its size—and this could be on the order of a few mA for a signal-level inductor—then the same design guidelines as explained above for DC-biased chokes will apply, though with much more emphasis on employing a closed-form core shape so that these filter chokes doesn’t become impromptu EMI cannons.

RF-brus manifesterar vanligtvis på alla ledningar som passerar genom en höljet, så att filtrering av vanligt läge kommer att vara mer effektivt än enskilda filter för varje effekt- och signallinje (dvs. i normalt eller differentiellt läge). Detta uppnås lättast genom att sätta alla lindningar för en relaterad grupp av ledningar – inklusive sin markåtergång – på en enda kärna (t.ex. AC -nätinloppet, signallinjer till motorkodaren, gaspotten osv.).

Lindningarna kommer att visas i serie för strömmodström, men försvinner nästan för normalläge. Det senare kan vara en mindre fråga genom att viss induktans fortfarande kan vara önskvärd för filtrering av differentiell läge, i vilket fall som målmedvetet konstruerar lindningarna för att ha hög läckinduktans (t.ex. genom att fysiskt separera dem) kommer att visa sig vara fördelaktiga.

Den allestädes närvarande toroidala gemensamma läget som finns i praktiskt taget varje växelströmsfilter förkroppsligar alla dessa principer-den toroidala kärnan är en stängd form, så den släpper ut nästan noll EMI, och lindningarna består av ett enda lager av en enda magnettråd på motsatta sidor av kärnan, vilket resulterar i höga AC-förluster, den minimum möjliga distribution, och det minimum som är möjligt, det minimum som är möjligt Filtrering kastas gratis. De flesta COTS Common-Mode-kvävningar kommer redan att listas/godkännas med relevanta säkerhetsbyråer, vilket gör dem till ett ännu mer övertygande val över skräddarsydda komponenter.

Den här artikeln dök först upp i nummer 71: januari-mars 2025-Prenumerera nu.