เคล็ดลับบางประการในการตัดสินความอิ่มตัวของตัวเหนี่ยวนำ

ตัวเหนี่ยวนำเป็นส่วนสำคัญของแหล่งจ่ายไฟ DC/DC มีหลายปัจจัยที่ต้องพิจารณาเมื่อเลือกตัวเหนี่ยวนำ เช่น ค่าตัวเหนี่ยวนำ DCR ขนาด และกระแสอิ่มตัว ลักษณะความอิ่มตัวของตัวเหนี่ยวนำมักถูกเข้าใจผิดและทำให้เกิดปัญหา บทความนี้จะอภิปรายว่าตัวเหนี่ยวนำถึงความอิ่มตัวได้อย่างไร ความอิ่มตัวส่งผลต่อวงจรอย่างไร และวิธีการตรวจจับความอิ่มตัวของตัวเหนี่ยวนำ 

สาเหตุความอิ่มตัวของตัวเหนี่ยวนำ

ขั้นแรก ให้ทำความเข้าใจอย่างสังหรณ์ใจว่าความอิ่มตัวของตัวเหนี่ยวนำคืออะไร ดังแสดงในรูปที่ 1:

รูปที่ 1

เรารู้ว่าเมื่อมีกระแสไหลผ่านขดลวดในรูปที่ 1 ขดลวดจะสร้างสนามแม่เหล็ก

แกนแม่เหล็กจะถูกทำให้เป็นแม่เหล็กภายใต้การกระทำของสนามแม่เหล็ก และโดเมนแม่เหล็กภายในจะหมุนอย่างช้าๆ

เมื่อแกนแม่เหล็กถูกทำให้เป็นแม่เหล็กโดยสมบูรณ์ ทิศทางของโดเมนแม่เหล็กจะเหมือนกับสนามแม่เหล็กทั้งหมด แม้ว่าสนามแม่เหล็กภายนอกจะเพิ่มขึ้น แต่แกนแม่เหล็กก็ไม่มีโดเมนแม่เหล็กที่สามารถหมุนได้ และการเหนี่ยวนำจะเข้าสู่สถานะอิ่มตัว .

จากมุมมองอื่น ในเส้นโค้งสนามแม่เหล็กที่แสดงในรูปที่ 2 ความสัมพันธ์ระหว่างความหนาแน่นฟลักซ์แม่เหล็ก B และความแรงของสนามแม่เหล็ก H ตรงตามสูตรทางด้านขวาในรูปที่ 2:

เมื่อความหนาแน่นของฟลักซ์แม่เหล็กถึง Bm ความหนาแน่นของฟลักซ์แม่เหล็กจะไม่เพิ่มขึ้นอย่างมีนัยสำคัญอีกต่อไปเมื่อความเข้มของสนามแม่เหล็กเพิ่มขึ้น และการเหนี่ยวนำจะถึงความอิ่มตัว

จากความสัมพันธ์ระหว่างตัวเหนี่ยวนำและการซึมผ่าน µ เราจะเห็นได้ว่า:

เมื่อตัวเหนี่ยวนำอิ่มตัว µm จะลดลงอย่างมาก และในที่สุดความเหนี่ยวนำจะลดลงอย่างมาก และความสามารถในการระงับกระแสจะหายไป

รูปที่ 2

เคล็ดลับในการพิจารณาความอิ่มตัวของตัวเหนี่ยวนำ

มีเคล็ดลับในการตัดสินความอิ่มตัวของตัวเหนี่ยวนำในการใช้งานจริงหรือไม่?

สามารถสรุปได้เป็นสองประเภทหลัก: การคำนวณทางทฤษฎีและการทดสอบเชิงทดลอง

การคำนวณทางทฤษฎีสามารถเริ่มต้นจากความหนาแน่นฟลักซ์แม่เหล็กสูงสุดและกระแสเหนี่ยวนำสูงสุด

การทดสอบเชิงทดลองมุ่งเน้นไปที่รูปคลื่นกระแสเหนี่ยวนำเป็นหลักและวิธีการตัดสินเบื้องต้นอื่นๆ

วิธีการเหล่านี้อธิบายไว้ด้านล่างนี้

คำนวณความหนาแน่นฟลักซ์แม่เหล็ก

วิธีนี้เหมาะสำหรับการออกแบบตัวเหนี่ยวนำโดยใช้แกนแม่เหล็ก พารามิเตอร์หลักได้แก่ ความยาววงจรแม่เหล็ก พื้นที่ที่มีประสิทธิภาพ Ae และอื่นๆ ประเภทของแกนแม่เหล็กยังกำหนดเกรดวัสดุแม่เหล็กที่สอดคล้องกันด้วย และวัสดุแม่เหล็กจะกำหนดข้อกำหนดที่เกี่ยวข้องกับการสูญเสียแกนแม่เหล็กและความหนาแน่นฟลักซ์แม่เหล็กอิ่มตัว

ด้วยวัสดุเหล่านี้ เราสามารถคำนวณความหนาแน่นฟลักซ์แม่เหล็กสูงสุดตามสถานการณ์การออกแบบจริงได้ดังต่อไปนี้:

ในทางปฏิบัติ การคำนวณสามารถทำให้ง่ายขึ้น โดยใช้ ui แทน ur สุดท้ายนี้ เมื่อเปรียบเทียบกับความหนาแน่นของฟลักซ์ความอิ่มตัวของวัสดุแม่เหล็ก เราสามารถตัดสินได้ว่าตัวเหนี่ยวนำที่ออกแบบนั้นมีความเสี่ยงที่จะเกิดการอิ่มตัวหรือไม่

คำนวณกระแสเหนี่ยวนำสูงสุด

วิธีนี้เหมาะสำหรับการออกแบบวงจรโดยตรงโดยใช้ตัวเหนี่ยวนำสำเร็จรูป

โทโพโลยีของวงจรที่ต่างกันมีสูตรที่แตกต่างกันสำหรับการคำนวณกระแสตัวเหนี่ยวนำ

ยกตัวอย่างชิป Buck MP2145 ซึ่งสามารถคำนวณได้ตามสูตรต่อไปนี้ และสามารถเปรียบเทียบผลลัพธ์ที่คำนวณได้กับค่าข้อกำหนดการเหนี่ยวนำเพื่อตรวจสอบว่าตัวเหนี่ยวนำจะอิ่มตัวหรือไม่

ตัดสินโดยรูปคลื่นกระแสอุปนัย

วิธีนี้เป็นวิธีการที่ใช้กันทั่วไปและใช้งานได้จริงในการปฏิบัติงานด้านวิศวกรรม

ยกตัวอย่าง MP2145 โดยใช้เครื่องมือจำลอง MPSmart สำหรับการจำลอง จากรูปคลื่นจำลองจะเห็นว่าเมื่อตัวเหนี่ยวนำไม่อิ่มตัว กระแสตัวเหนี่ยวนำจะเป็นคลื่นสามเหลี่ยมที่มีความชันระดับหนึ่ง เมื่อตัวเหนี่ยวนำอิ่มตัว รูปคลื่นกระแสของตัวเหนี่ยวนำจะมีการบิดเบือนที่ชัดเจน ซึ่งเกิดจากการลดลงของการเหนี่ยวนำหลังจากความอิ่มตัว

ในการปฏิบัติทางวิศวกรรม เราสามารถสังเกตได้ว่ามีการบิดเบือนของรูปคลื่นกระแสเหนี่ยวนำหรือไม่ โดยอาศัยสิ่งนี้เพื่อตัดสินว่าตัวเหนี่ยวนำอิ่มตัวหรือไม่

ด้านล่างนี้คือรูปคลื่นที่วัดได้บนบอร์ดสาธิต MP2145 จะเห็นได้ว่ามีความบิดเบี้ยวอย่างเห็นได้ชัดหลังจากการอิ่มตัว ซึ่งสอดคล้องกับผลการจำลอง

วัดว่าตัวเหนี่ยวนำมีความร้อนผิดปกติหรือไม่และฟังเสียงผิวปากผิดปกติ

ในทางปฏิบัติทางวิศวกรรมมีหลายสถานการณ์ เราอาจไม่ทราบประเภทแกนที่แน่นอน เป็นการยากที่จะทราบขนาดกระแสความอิ่มตัวของตัวเหนี่ยวนำ และบางครั้งมันไม่สะดวกในการทดสอบกระแสตัวเหนี่ยวนำ ในเวลานี้ เรายังสามารถตรวจสอบเบื้องต้นได้ว่าความอิ่มตัวเกิดขึ้นหรือไม่โดยการวัดว่าตัวเหนี่ยวนำมีอุณหภูมิที่เพิ่มขึ้นผิดปกติหรือไม่ หรือฟังว่ามีเสียงกรีดร้องที่ผิดปกติหรือไม่

มีการแนะนำเคล็ดลับบางประการในการพิจารณาความอิ่มตัวของตัวเหนี่ยวนำไว้ที่นี่ ฉันหวังว่ามันจะเป็นประโยชน์