Nel mondo degli induttori c’è un numero enorme di diversi tipi di induttori, materiali, strutture, costruzioni… A seconda dell’applicazione finale, non tutti i tipi disponibili si adattano perfettamente. La scelta finale non va fatta solo considerando la corrente massima, l’ingombro minimo o il prezzo. La tecnologia utilizzata è molto più importante. È importante conoscere brevemente le diverse tecnologie per trovare finalmente la giusta soluzione. Una delle tecnologie per induttori di potenza di Kemet è l’induttore in Metallo Composito. Uno dei principali vantaggi di questo tipo di induttore non può essere visto a prima vista e certamente non può essere visto ad occhio nudo.
Nozioni di base elettriche
Principalmente l’induttanza è creata dal materiale del nucleo utilizzato e dal numero di giri dell’avvolgimento. Per comprendere le caratteristiche dei diversi tipi di induttori di potenza è anche importante comprendere alcuni comportamenti di base in una bobina. Anche l’influenza del materiale deve essere considerata quando si sceglie l’induttore giusto.
Campo magnetico e densità di flusso
Qualsiasi conduttore con un flusso di corrente crea un campo magnetico attorno al filo. Si calcola la forza magnetica H di un filo lungo:
I: Corrente [A]
r: Distanza dal filo [m]
Avvolgendo il filo come una spirale, si calcola la forza magnetica:
N: numero di giri [1]
I: Corrente [A]
l: Lunghezza della barra [m]
Non vi è alcuna influenza materiale nel calcolo della forza magnetica che mostra che è la stessa per qualsiasi tipo di materiale o nell’aria.
Il materiale del nucleo utilizzato viene preso in considerazione osservando la densità di flusso. In aria si calcola la densità del flusso:
Dove µ0 è costante.
Avvolgendo il filo attorno a un materiale del nucleo ferromagnetico, la densità del flusso cambia con il materiale:
Il materiale del nucleo ha un’influenza sulla densità del flusso ma non sulla forza magnetica. Il fattore che descrive l’influenza del materiale è µr. L’intervallo per il valore di µr può avere un range estremamente ampio compreso tra 1 e 105. Poiché dipende da diversi fattori come la frequenza o la temperatura, non è nemmeno costante. La dipendenza della densità di flusso e della forza magnetica ha un comportamento non lineare come un ciclo di isteresi.
L’area all’interno del ciclo di isteresi rappresenta la perdita centrale del materiale. Più grande è l’area, maggiori sono le perdite dell’induttore. Inoltre, per applicazioni a frequenza più alta, l’area dovrebbe essere piccola. La scelta del materiale giusto deve essere fatta conoscendo le condizioni ambientali utilizzate come frequenza, temperatura e corrente.
Struttura dell’induttore
Vuoto d’aria (Air Gap)
L’induttanza è definita dal materiale del nucleo, dalla geometria del nucleo e dal modo di avvolgere il filo attorno al nucleo.
L’induttanza è calcolata da:
Aeff: Area della sezione trasversale effettiva del nucleo [m2]
leff: Lunghezza effettiva del campo magnetico nel nucleo [m]
N: numero di giri
La lunghezza effettiva del campo magnetico è definita principalmente dalla geometria e dalle dimensioni del nucleo. Maggiore è l’area effettiva del materiale del nucleo, maggiore è l’induttanza ma anche maggiore è l’induttore.
Per aumentare l’induttanza il numero di giri ha un’influenza significativa. D’altra parte, molte spire richiedono una dimensione maggiore dell’induttore o una dimensione inferiore del filo che aumenta la resistenza e abbassa la corrente nominale massima. A seconda dello spazio sulla scheda, la dimensione massima del componente è limitata.
Includendo un traferro nel nucleo, il calcolo dell’induttore cambia in modo significativo. Ora il calcolo è una somma dell’induttanza per il nucleo e l’induttanza del traferro.
δ: Distanza traferro [m]
lcore: Media lunghezza nel nucleo
I materiali di base più utilizzati hanno un µr elevato ( >> 1) quindi l’effetto del traferro diventa molto più significativo. La formula sopra può essere semplificata in:
Per il calcolo dell’induttanza, il traferro ha una grande influenza. Il traferro dovrebbe essere molto piccolo. Quindi la densità di energia è maggiore rispetto al materiale del nucleo. L’energia viene immagazzinata nel traferro.
Il traferro consente anche una maggiore induttanza di saturazione.
Per utilizzare un’induttanza come induttore di potenza per il convertitore DC/DC, è obbligatorio un traferro che:
- Conserva l’energia
- Aumenta il punto di saturazione
Una struttura a bobina semplice è un’anima del tamburo con o senza schermatura. Il filo è avvolto attorno al nucleo e circondato dalla schermatura. Tra la schermatura e il nucleo c’è il traferro. Questa costruzione è molto facile da realizzare.
Gli induttori in Metallo Composito non hanno un traferro come gli induttori con lo stile del nucleo del tamburo. Il materiale del nucleo è una polvere di ferro speciale che è rivestita con un isolante. Lo spazio vuoto della polvere di metallo viene riempito con uno speciale legante di resina. Il rivestimento e la resina non sono magnetici e fungono da traferro che viene distribuito sul nucleo dell’induttore. Il rivestimento isolato degli induttori di potenza YAGEO è un progetto e un processo proprio per prestazioni elevate e ad alta affidabilità.
Il più grande vantaggio degli induttori in Metallo Composito rispetto all’altra struttura è che la saturazione è più stabile perché non c’è nessun punto in cui l’induttanza scenda immediatamente. Se la corrente di ripple può essere molto elevata o se non è chiaramente definita, la caduta di induttanza degli induttori standard progettati può avere un impatto sul comportamento. L’uso della costruzione metallo composito stampato ha un’influenza minore a correnti di ripple più elevate.
A causa del fatto che il materiale composito metallico è completamente riempito attorno alla bobina di rame, gli induttori hanno un’elevata efficienza volumetrica. Ciò consente valori di induttanza più elevati in dimensioni della custodia più piccole rispetto a qualsiasi altro tipo di costruzione.
Poiché la costruzione senza traferro meccanico è completamente chiusa, l’induttore ha una EMI irradiata molto bassa. L’induttore può essere posizionato facilmente vicino all’IC senza aspettarsi problemi maggiori o senza utilizzare materiale di schermatura. Inoltre, poiché la costruzione stampata è realizzata in un unico pezzo, anche il rumore acustico è ridotto o non esiste.
Filo di rame
La sezione trasversale del filo di rame può essere rotonda o quadrata. Con i cavi tondi è possibile ottenere più giri in una dimensione della custodia più piccola che consente valori di induttanza più elevati poiché più giri portano a valori di induttanza più elevati.
D’altra parte, i fili piatti rettangolari possono avere una sezione trasversale maggiore e quindi più filo di rame nello stesso spazio che consente correnti più elevate.
Dipende se l’applicazione richiede un valore di induttanza elevato o una corrente nominale elevata per trovare la soluzione giusta.
Ma non solo la corrente nominale e il valore di induttanza. Anche la frequenza di commutazione dell’applicazione dovrebbe essere presa in considerazione. A frequenze più alte l’Effetto Pelle (Skin Effect) diventa sempre più un problema poiché limita lo spazio di trasporto della corrente al perimetro del filo. Utilizzando un filo piatto rettangolare dove il perimetro è più alto rispetto al filo tondo, un filo piatto ha un’area effettiva maggiore per il flusso di corrente. Questo è il motivo per cui una costruzione con cavo piatto dovrebbe essere utilizzata in applicazioni con frequenza di commutazione più elevata.
Soluzioni YAGEO
YAGEO offre induttori a filo piatto e induttori a filo tondo a seconda delle esigenze specifiche del progettista. Dopo aver esaminato l’applicazione, è possibile fare facilmente la scelta giusta. Se sono necessarie correnti più elevate, la scelta giusta è una struttura a filo piatto (prefisso serie MPC). Se sono necessari valori di induttanza elevati, la scelta giusta è una struttura a filo tondo (prefisso serie MPLC). In entrambi i casi, il modello è di metallo composito.
La gamma di capacità va da 100 nF a 100 µF, le temperature di esercizio sono disponibili fino a 180°C, le dimensioni della custodia da 5 x 5 x 2 mm fino a 22 x 22 x 13 mm.
Sono disponibili componenti qualificati AEC-Q200 per applicazioni automotive.
Riepilogo
Con la serie di Induttori di Potenza in Metallo Composito (Metal Composite Power Inductor), YAGEO offre una soluzione perfetta per quanto riguarda induttanza e valori di corrente disponibili, caratteristiche di saturazione, comportamento EMC ed efficienza volumetrica. La gamma di prodotti soddisfa i requisiti per i convertitori DC/DC più utilizzati dai produttori di circuiti integrati standard.
