大功率系統(tǒng)的DC-DC轉(zhuǎn)換器電感選擇指南

所有電子設(shè)備都需要電源，并且能源或電網(wǎng)提供的有功功率永遠(yuǎn)不會(huì)穩(wěn)定或無(wú)噪聲。當(dāng)您需要將電網(wǎng)電源轉(zhuǎn)換為直流電源，或者正在使用波動(dòng)的直流電源時(shí)，您將需要一個(gè)DC-DC轉(zhuǎn)換器來(lái)進(jìn)行調(diào)節(jié)并將輸出電壓保持在所需的值。

DC-DC轉(zhuǎn)換器中的一個(gè)關(guān)鍵組件是輸出級(jí)上的電感器，DC-DC轉(zhuǎn)換器電感器的選擇是成功設(shè)計(jì)所需的許多重要設(shè)計(jì)選擇之一。開(kāi)關(guān)DC-DC轉(zhuǎn)換器與其他一些組件一起使用電感器進(jìn)行電壓調(diào)節(jié)。電路中的電感器在不同拓?fù)渲械淖饔脤⒙杂胁煌?，具體取決于系統(tǒng)是升壓還是降壓。讓我們看一下兩組常見(jiàn)的拓?fù)?，其中電感器在電路中提供不同的功能，以及如何選擇合適的電感器尺寸。

DC-DC轉(zhuǎn)換器電感選擇

為DC-DC轉(zhuǎn)換器選擇電感器的過(guò)程取決于許多參數(shù)。根據(jù)所涉及的功率水平，這些電感器可能會(huì)很大，可能需要針對(duì)您的系統(tǒng)進(jìn)行定制設(shè)計(jì)。除了所需的占位面積以外，在選擇DC-DC轉(zhuǎn)換器電感器時(shí)還需要考慮以下規(guī)格：

l額定電流和線圈電阻。線圈本身將具有一定的直流電阻，這將產(chǎn)生熱量并降低電感兩端的電壓。線圈電阻應(yīng)盡可能低，以防止功率損耗和熱量。另外，額定電流將取決于電感器封裝的物理尺寸。線繞電感器用于高功率轉(zhuǎn)換器，而箔式電感器可用于低功率轉(zhuǎn)換器。

l飽和電流。鐵氧體電感器將具有一些飽和電流，高于該飽和電流時(shí)，電感器磁芯將飽和。這會(huì)在下一個(gè)開(kāi)關(guān)周期中產(chǎn)生遲滯。應(yīng)該選擇電感器，以使飽和電流大于系統(tǒng)中所需的最大電流。

l電感與頻率的關(guān)系。所有組件都有寄生效應(yīng)。繞組之間的寄生電容和線圈中的電阻會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)在高頻下產(chǎn)生自諧振。實(shí)際上，電感器的自諧振頻率通常很高，因此，除非您計(jì)劃使用具有非?？斓倪呇厮俾屎?MHz頻率的PWM信號(hào)，否則這并不重要。

最后但并非最不重要的是電感值。所需的電感值取決于您使用的拓?fù)?，因?yàn)檫@將決定電感在DC-DC轉(zhuǎn)換器中需要執(zhí)行的功能。這里應(yīng)考慮兩組DC-DC轉(zhuǎn)換器拓?fù)洌航祲?/span>/升壓/ Cuk /分裂Pi轉(zhuǎn)換器和諧振橋式轉(zhuǎn)換器。

降壓，升壓和Cuk轉(zhuǎn)換器電感選擇

降壓，升壓和降壓-升壓轉(zhuǎn)換器拓?fù)湟约跋嚓P(guān)的Cuk和Split-Pi轉(zhuǎn)換器在開(kāi)關(guān)期間激活電路中的功率MOSFET時(shí)，都利用電感器來(lái)存儲(chǔ)能量。每次電感器切換時(shí)，流經(jīng)逆變器的電流開(kāi)始以與PWM信號(hào)的上升/下降時(shí)間相似的速率變化，并且電感器將生成反電動(dòng)勢(shì)。

這些轉(zhuǎn)換器拓?fù)湓陂_(kāi)關(guān)過(guò)程中利用了電感器中的反電動(dòng)勢(shì)，這使得這些轉(zhuǎn)換器拓?fù)涞墓ぷ麟妷狠^低，因?yàn)殡姼衅鞯淖饔檬请p重的：

在切換事件期間存儲(chǔ)和釋放。每次PWM信號(hào)打開(kāi)和關(guān)閉電路中的MOSFET時(shí)，PWM信號(hào)都會(huì)改變方向，最終將電流引向負(fù)載并確保直流工作。在這里，正是電感器在不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中的位置將有助于確定系統(tǒng)是在降壓還是升壓模式下工作。

限制轉(zhuǎn)換器輸出上的紋波。電感具有與頻率成比例的電抗性，因此在每個(gè)PWM開(kāi)關(guān)周期中會(huì)產(chǎn)生的紋波波形會(huì)在整個(gè)電感上大幅下降。這意味著較大的電感器值對(duì)衰減高頻紋波更有用。

關(guān)于此主題的許多應(yīng)用筆記將幫助您確定用于降壓或升壓轉(zhuǎn)換器的最佳電感器值。下面顯示了一些可用于計(jì)算Cuk，boost和buck轉(zhuǎn)換器中電感器值的近似公式。設(shè)計(jì)人員需要在這些方程式中選擇所需的紋波電流值（峰峰值）。如我們所見(jiàn)，更大的電感器將提供更大的阻尼，從而減少系統(tǒng)中的紋波。

LLC諧振轉(zhuǎn)換器

在這種類型的轉(zhuǎn)換器中，輸出電壓/電流通過(guò)連接到整流橋的變壓器線圈輸出，該變壓器線圈根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)變壓器匝數(shù)比公式修改降低/升高電壓/電流的步驟。轉(zhuǎn)換器的初級(jí)側(cè)包含一個(gè)與電感器和變壓器串聯(lián)的電容器，從而形成LLC電路。LCC電路是該電路的一種變體，其中兩個(gè)串聯(lián)和并聯(lián)電容與轉(zhuǎn)換器的變壓器一起使用。請(qǐng)注意，變壓器基本上也是電感，因此其線圈會(huì)產(chǎn)生一些電感。

在這種開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換器拓?fù)渲?，電感器和變壓器的要點(diǎn)是要利用轉(zhuǎn)換器初級(jí)側(cè)的一些增益。這是通過(guò)在轉(zhuǎn)換器的諧振頻率附近驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)換器中的LLC電路來(lái)完成的。通過(guò)仔細(xì)調(diào)節(jié)開(kāi)關(guān)信號(hào)的頻率，可以在原邊看到更多或更少的增益，從而將輸出電壓/電流保持在某個(gè)期望值。下圖顯示了德州儀器（TI）的半橋諧振LLC轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)；初級(jí)側(cè)的MOSFET被異相驅(qū)動(dòng)，以在初級(jí)側(cè)提供所需的開(kāi)關(guān)性能。次級(jí)側(cè)的高端和低端MOSFET提供整流，電容器組提供平滑和紋波減小。

電感和初級(jí)變壓器線圈的總電感需要與電容器一起確定尺寸，以允許初級(jí)側(cè)的信號(hào)充分利用增益。典型增益值的范圍從?1.1至?1.5，出現(xiàn)在狹窄的頻率范圍內(nèi)。這種轉(zhuǎn)換器通常使用大型電感器（?10 uH）和變壓器（?100-300 uH初級(jí)線圈電感），以使電路的諧振頻率接近?100-200 kHz，這是實(shí)際驅(qū)動(dòng)開(kāi)關(guān)DC-DC轉(zhuǎn)換器使用的頻率。注意，為了提供平滑的DC驅(qū)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)信號(hào)的占空比通常保持在50％。

這種類型的轉(zhuǎn)換器中的電感器通常會(huì)非常堅(jiān)固，因?yàn)?/span>LLC轉(zhuǎn)換器通常用于大功率系統(tǒng)中。這意味著您將需要一個(gè)線繞電感器，因?yàn)樗鼈兎浅?jiān)固。這些轉(zhuǎn)換器通常需要定制設(shè)計(jì)的電感器，變壓器或兩者，以在轉(zhuǎn)換器的初級(jí)側(cè)設(shè)置所需的頻率范圍和增益。