De rol van inductorspoel in SMPS

Het meest cruciale element van een geschakelde omzetter of een SMPS is de inductor.

Energie wordt opgeslagen in de vorm van een magnetisch veld in het kernmateriaal van de inductor gedurende de korte AAN-periode (t_Aan) geschakeld via het aangesloten schakelelement zoals MOSFET of een BJT.

Hoe de inductor werkt in SMPS

Tijdens deze AAN-periode wordt spanning V aangelegd over de inductor L en de stroom door de inductor verandert met de tijd.

Deze huidige verandering wordt 'beperkt' door de inductantie, daarom vinden we de gerelateerde term smoorspoel die normaal wordt gebruikt als een alternatieve naam voor een SMPS-inductor, die wiskundig wordt weergegeven door de formule:

di / dt = V / L

Wanneer de schakelaar wordt uitgeschakeld, wordt de energie die is opgeslagen in de inductor vrijgegeven of 'teruggeschopt'.

Het magnetische veld dat over de wikkelingen wordt ontwikkeld, stort in vanwege de afwezigheid van stroom of spanning om het veld vast te houden. Het instortende veld 'snijdt' op dit punt scherp door de wikkelingen, waardoor een sperspanning wordt opgebouwd met een tegengestelde polariteit ten opzichte van de oorspronkelijk aangelegde schakelspanning.

Deze spanning zorgt ervoor dat een stroom in dezelfde richting beweegt. Er vindt dus een energie-uitwisseling plaats tussen de ingang en uitgang van de inductorwikkeling.

Het implementeren van de inductor op de hierboven toegelichte manier kan worden gezien als een primaire toepassing van de wet van Lenz. Aan de andere kant lijkt het er in eerste instantie op dat er geen energie 'oneindig' kan worden opgeslagen in een inductor, net als een condensator.

Stel je een inductor voor die is gebouwd met supergeleidende draad. Eenmaal 'opgeladen' met een schakelpotentiaal, kan de opgeslagen energie eventueel voor altijd worden vastgehouden in de vorm van een magnetisch veld.

Het snel winnen van deze energie kan echter een heel ander probleem zijn. Hoeveel energie die in een inductor kan worden opgeborgen, wordt beperkt door de verzadigingsfluxdichtheid, Bmax, van het kernmateriaal van de inductor.

Dit materiaal is meestal een ferriet. Op het moment dat een inductor verzadigd raakt, verliest het kernmateriaal zijn vermogen om verder te worden gemagnetiseerd.

Alle magnetische dipolen in het materiaal worden uitgelijnd, waardoor er geen energie meer kan accumuleren als een magnetisch veld erin. De verzadigingsfluxdichtheid van het materiaal wordt over het algemeen beïnvloed door veranderingen in de kerntemperatuur, die bij 100 ° C met 50% kan dalen dan de oorspronkelijke waarde bij 25 ° C

Om precies te zijn, als niet wordt voorkomen dat de SMPS-inductorkern verzadigd raakt, heeft de stroom door het inductieve effect de neiging ongecontroleerd te worden.

Dit wordt nu alleen beperkt door de weerstand van de wikkelingen en de hoeveelheid stroom die de bronvoeding kan leveren. De situatie wordt in het algemeen beheerst door de maximale aan-tijd van het schakelelement die op passende wijze wordt beperkt om verzadiging van de kern te voorkomen.

Inductorspanning en -stroom berekenen

Om het verzadigingspunt te regelen en te optimaliseren, worden stroom en spanning over de inductor dus op de juiste manier berekend in alle SMPS-ontwerpen. Het is de huidige verandering met de tijd die de sleutelfactor wordt in een SMPS-ontwerp. Dit wordt gegeven door:

ik = (Vin / L) t_Aan

De bovenstaande formule houdt rekening met een nulweerstand in serie met de inductor. In de praktijk zullen echter de weerstand behorende bij het schakelelement, de inductor en de printplaat allemaal bijdragen aan het beperken van de maximale stroom via de inductor.

Laten we aannemen dat een weerstand dit in totaal 1 ohm is, wat redelijk lijkt.

Dus de stroom door de inductor kan nu worden geïnterpreteerd als:

ik = (V_in/ R) x (1 - e^{-t_AanR / L}​

Kernverzadigingsgrafieken

Verwijzend naar de grafieken die hieronder worden weergegeven, toont de eerste grafiek het verschil in stroom door een spoel van 10 µH zonder serieweerstand en wanneer 1 Ohm in serie wordt ingevoegd.

De gebruikte spanning is 10 V. Als er geen serie 'beperkende' weerstand is, kan de stroom snel en continu over een oneindig tijdsbestek stijgen.

Het is duidelijk dat dit misschien niet haalbaar is, maar het rapport benadrukt wel dat de stroom in een inductor snel substantiële en potentieel gevaarlijke grootheden kan bereiken. Deze formule is alleen geldig zolang de inductor onder het verzadigingspunt blijft.

Zodra de inductorkern verzadigd is, kan de inductieve concentratie de stroomstijging niet optimaliseren. Daarom stijgt de stroom erg snel, wat simpelweg buiten het voorspellingsbereik van de vergelijking ligt. Tijdens de verzadiging wordt de stroom beperkt tot een waarde die normaal wordt bepaald door de serieweerstand en aangelegde spanning.

In het geval van kleinere inductoren is de stroomstijging erdoorheen erg snel, maar ze kunnen aanzienlijke energieniveaus behouden binnen een bepaald tijdsbestek. Integendeel, grotere inductorwaarden kunnen een trage stroomstijging vertonen, maar deze zijn niet in staat om hoge energieniveaus binnen dezelfde vastgestelde tijd vast te houden.

Dit effect is te zien in de tweede en derde grafiek, waarbij de eerste een stijging van de stroom in 10 µH-, 100 µH- en 1 mH-inductoren laat zien wanneer een 10V-voeding wordt gebruikt.

Grafiek 3 geeft de energie weer die in de loop van de tijd is opgeslagen voor inductoren met dezelfde waarden.

In de vierde grafiek kunnen we de stroomstijging zien door dezelfde inductoren, door een 10 V toe te passen, hoewel nu een serieweerstand van 1 Ohm in serie met de inductor is ingebracht.

De vijfde grafiek toont de energie die is opgeslagen voor dezelfde inductoren.

Hier is het duidelijk dat deze stroom door de 10 µH-inductor snel stijgt naar de maximale waarde van 10 A in ongeveer 50 ms. Als resultaat van een weerstand van 1 ohm kan het echter slechts bijna 500 millijoule vasthouden.

Dat gezegd hebbende, stijgt de stroom door inductoren van 100 µH en 1 mH en wordt de opgeslagen energie over dezelfde tijd redelijk onaangetast door de serieweerstand.