La série avancée des inducteurs WE-MAPI combine au mieux l’utilisation de l’inductance et de la capacité de transport du courant avec une faible perte intrinsèque grâce à une sélection intelligente des matériaux et à une technologie de fabrication.
Cet article est publié par pÉlectrique dans le cadre d’un partenariat de contenu numérique exclusif avec Bodo’s Power Systems.
Les dispositifs économes en énergie sont des éléments importants pour économiser les ressources et protéger l’environnement. Plus l’électronique est efficace, plus la durée de vie de la batterie des appareils mobiles est longue, et dans les grandes installations industrielles et serveurs avec des milliers de consommateurs, les besoins énergétiques sont sensiblement réduits.
La base des dispositifs économes en énergie est significativement influencée par l’alimentation électrique. Alors que les régulateurs linéaires étaient autrefois les régulateurs de tension les plus couramment utilisés, les alimentations à découpage sont désormais principalement utilisées dans les circuits électroniques de puissance modernes. La réduction continue des tensions du processeur a joué son rôle. Il y a quelques années, les fréquences de commutation allant jusqu’à 300 kHz étaient encore très courantes, mais aujourd’hui, les régulateurs de commutation modernes sont majoritairement cadencés à des fréquences de 800 kHz et plus. Les pertes de commutation, d’une part, mais aussi les pertes de l’inductance de stockage, d’autre part, sont des aspects importants dans la conception des alimentations à découpage.
De nouvelles mélanges de matériaux du groupe des alliages de fer ont encore réduit les pertes de matériau du noyau pour les inductances de stockage à fort courant. Sur cette base, la série WE-MAPI allie au mieux l’utilisation de l’inductance et de la capacité de transport du courant avec de faibles pertes intrinsèques grâce à une sélection intelligente des matériaux et à une technologie de fabrication.
Le développeur d’alimentations est soutenu par l’outil REDEXPERT, qui permet de déterminer les pertes en courant continu et en courant alternatif des inductances de stockage avec une précision inégalée jusqu’à présent. Cela est fait par une méthode basée sur les mesures qui permet de calculer les pertes du noyau de manière considérablement plus précise que ce qui serait possible avec les formules de Steinmetz.
Caractéristiques des inductances de stockage WE-MAPI
Dans les bobines classiques, le fil de cuivre émaillé est généralement enroulé autour du noyau et soudé ou soudé à la borne avec une pince. Par la suite, la bague de blindage externe est montée et collée au noyau interne et à l’enroulement.
Figure 1. L’inductance de stockage WE-MAPI se caractérise par sa conception compacte. Le fil de la bobine est directement relié aux bornes de connexion. Image utilisée avec l’aimable autorisation de Bodo’s Power Systems [PDF]
Grâce à la WE-MAPI, l’enroulement est directement relié aux bornes de connexion du composant à l’aide d’un processus de contact direct sans soudure ni soudure (figure 1). En éliminant le besoin de pince, le diamètre effectif a pu être augmenté, ce qui signifie que moins d’enroulements sont nécessaires pour les mêmes valeurs d’inductance. Cela se traduit par une résistance en courant continu (RDC) de l’enroulement significativement réduite.
Dans l’application, le début de l’enroulement de la bobine est généralement connecté au noeud de commutation du régulateur de commutation – le composant porte une marque à cet effet. Cela réduit au minimum l’expansion spatiale du noeud de commutation « chaud » et les effets de couplage provenant de la partie externe de l’enroulement, qui est à un potentiel « quiescent », sont blindés (figure 2).
Figure 2. Conception d’enroulement et de noyau auto-blindée pour une meilleure performance en CEM. Image utilisée avec l’aimable autorisation de Bodo’s Power Systems [PDF]
Le noyau est constitué d’un alliage de fer innovant pressé autour de l’enroulement. Cela confère au WE-MAPI des valeurs d’inductance élevées dans un petit boîtier. La conception spéciale du noyau a également un effet d’auto-blindage. Le matériau du noyau lui-même est stable en température avec une dérive faible et un comportement de saturation doux. De plus, une couche de protection est appliquée autour du noyau pour rendre les surfaces résistantes aux influences environnementales.
Le WE-MAPI est disponible dans de nombreuses tailles différentes, de 1.6² x 1.0 mm à 5.4² x 3.1 mm (figure 3) et a récemment été étendu dans le haut de gamme.
Figure 3. Aperçu des différentes conceptions de l’inductance de stockage WE-MAPI. Les versions les plus récentes sont indiquées par le cadre rouge. Image utilisée avec l’aimable autorisation de Bodo’s Power Systems [PDF]
Les pertes d’une bobine de stockage sont constituées de pertes de matériau du noyau et de pertes de l’enroulement. Les pertes de l’enroulement peuvent elles-mêmes être divisées en pertes en courant continu, significativement influencées par la résistance en courant continu de l’enroulement (équation 1) et les pertes en courant alternatif (RAC) de l’enroulement, qui résultent de l’effet de peau et de l’effet de proximité.
\[P=I^{2}\cdot R_{DC}\,\,\,(1)\]
Il existe plusieurs méthodes pour déterminer les pertes en courant alternatif de l’enroulement – par exemple, la méthode de Dowell, Ferreira ou Nan/Sullivan.
L’importance des pertes en courant alternatif dans les régulateurs de commutation modernes peut être déterminée avec une configuration simple et une mesure des pertes correspondantes. À titre d’exemple, un convertisseur abaisseur avec une tension d’entrée de 24 V est utilisé. Une tension de 12 V à un courant de 2 A est disponible en sortie. La fréquence d’horloge est de 500 kHz. Dans la comparaison de la figure 4, une inductance de stockage de 2,2 µH de la série WE-MAPI 4020 a été mesurée et comparée à des inductances de stockage de la même conception. Il est clairement visible que pour toutes les bobines mesurées, les pertes en courant alternatif dépassent les pertes en courant continu.
Figure 4. Proportions des pertes en courant alternatif et en courant continu d’une bobine de 2,2 µH dans un convertisseur abaisseur avec une tension d’entrée de 24 V et une tension de sortie de 12 V et un courant de sortie de 2 A à une fréquence d’horloge de 500 kHz. Image utilisée avec l’aimable autorisation de Bodo’s Power Systems [PDF]
Dans les régulateurs de commutation, la bobine est l’un des composants les plus importants. Par conséquent, la détermination précise des pertes et du chauffage est une étape critique dans la sélection du bon composant. Pour prédire le chauffage, il faut d’abord déterminer de manière précise les pertes en courant alternatif.
Une approche serait les modèles de Steinmetz, qui offrent une approximation acceptable, en particulier pour les excitations sinusoïdales et un rapport cyclique de 50 %. Le modèle de Würth Elektronik, quant à lui, offre des résultats plus précis.
Würth Elektronik eiSos a développé son propre modèle pour déterminer précisément les pertes en courant alternatif complètes des inductances. Ce modèle est basé sur des données empiriques obtenues avec une configuration d’application en temps réel. Ici, la première étape consiste à diviser les pertes totales de l’inductance en pertes en courant alternatif et en courant continu.
Les données empiriques sont acquises à l’aide d’un convertisseur CC/CC. Une tension pulsée est appliquée à l’inductance, et les puissances d’entrée Pin et de sortie Pout sont mesurées. Sur cette base, on obtient Pperte = Pin – Pout, et les pertes de courant alternatif de l’inductance PAC sont séparées. Ce processus est mesuré pour une grande variété de réglages de paramètres – par exemple, des variations d’excursion magnétique, de fréquence de commutation, de courant résiduel, etc. – et ces données empiriques sont enregistrées. À l’aide de ces données empiriques, le modèle de calcul des pertes en courant alternatif est créé (équation 2).
\[P_{AC}=f(\Delta I,freq,DC,kl,k2)\,\,\,(2)\]
Avantages du modèle de perte en courant alternatif de Würth Elektronik :
- Les données empiriques sont basées sur un convertisseur CC/CC.
- Détermination précise des pertes pour n’importe quel rapport cyclique donné
- Précis sur une large plage de fréquences (10 kHz à 10 MHz)
- Tient compte des plus petites variations du matériau du noyau et de la structure de l’enroulement
- Valide pour les composants avec plusieurs matériaux utilisés
- Détermination précise des pertes des composants avec poudre de fer et alliages métalliques
- Valide pour n’importe quelle conception de noyau et structure d’enroulement
- Inclut également les pertes en courant alternatif de l’enroulement
Image utilisée avec l’aimable autorisation de Bodo’s Power Systems [PDF]
Figure 5. Pertes en courant alternatif pour les matériaux de noyau MnZn et poudre de fer et un rapport cyclique de 33 % selon les différents modèles de Steinmetz par simulation avec REDEXPERT et les valeurs réellement mesurées. Image utilisée avec l’aimable autorisation de Bodo’s Power Systems [PDF]
Figure 6. Simulation pour un convertisseur abaisseur dans REDEXPERT avec des composants WE-MAPI. Image utilisée avec l’aimable autorisation de Bodo’s Power Systems [PDF]
Le modèle de Würth Elektronik a été largement validé et comparé à des modèles existants et à des données mesurées. Les pertes en courant alternatif pour divers matériaux, tels que le superflux WE, la poudre de fer, NiZn, MnZn, etc., ont été mesurées sur une large plage de rapport cyclique et de fréquence et comparées à des modèles théoriques (figure 5). Les graphiques montrent les pertes du noyau déterminées à l’aide de l’équation de puissance de Steinmetz (Pst), de l’équation de Steinmetz modifiée (Pmse) et de l’équation de Steinmetz généralisée (Pgse). « REDEXPERT » indique la perte en courant alternatif telle que calculée à l’aide du modèle de perte en courant alternatif de Würth Elektronik. « Real » est la perte en courant alternatif mesurée.
Sélection de WE-MAPI avec REDEXPERT
Les inductances de stockage WE-MAPI, avec leur matériau de noyau innovant et leur conception réfléchie, sont conçues pour des performances maximales dans un espace minimal. Pour les régulateurs de commutation économes en énergie, la meilleure façon de sélectionner la bonne inductance de stockage WE-MAPI est d’utiliser REDEXPERT (figure 6), l’outil de conception en ligne de Würth Elektronik. Le modèle de perte en courant alternatif le plus précis au monde y est intégré, ce qui permet d’obtenir une très grande précision sur de larges plages de valeurs pour les paramètres fréquence, courant résiduel et rapport cyclique.
Cet article est paru initialement dans le magazine Bodo’s Power Systems [PDF] et est co-publié par Alexander Gerfer, Ranjith Bramanpalli et Jochen Baier.
FAQs
Qu’est-ce que la série WE-MAPI d’inductances de stockage?
La série WE-MAPI d’inductances de stockage combine l’utilisation optimale de l’inductance et de la capacité de transport du courant avec de faibles pertes intrinsèques grâce à une sélection intelligente des matériaux et à une technologie de fabrication.
Qu’est-ce qui influence l’efficacité des dispositifs économes en énergie?
Les dispositifs économes en énergie dépendent en grande partie de l’alimentation électrique, qui influence considérablement leur efficacité.
Qu’est-ce qui distingue les bobines WE-MAPI?
Les bobines WE-MAPI se distinguent par leur conception compacte, leur contacts de connexion directs sans soudure ni soudure, et leur effet d’auto-blindage grâce au noyau et à l’enroulement.
Quel est l’avantage de la méthode de mesure des pertes de Würth Elektronik?
La méthode de mesure des pertes de Würth Elektronik offre une détermination précise des pertes en courant continu et en courant alternatif des inductances avec une grande précision sur une large plage de fréquences et de paramètres.
Quels sont les avantages du modèle de perte en courant alternatif de Würth Elektronik?
Le modèle de perte en courant alternatif de Würth Elektronik offre une détermination précise des pertes pour n’importe quel rapport cyclique donné, sur une large plage de fréquences et prend en compte les plus petites variations du matériau du noyau et de la structure de l’enroulement.
Comment sélectionner la bonne inductance de stockage WE-MAPI?
La meilleure façon de sélectionner la bonne inductance de stockage WE-MAPI est d’utiliser REDEXPERT, l’outil de conception en ligne de Würth Elektronik, qui intègre le modèle de perte en courant alternatif le plus précis au monde.
Quelles tailles sont disponibles pour les inductances de stockage WE-MAPI?
Les inductances de stockage WE-MAPI sont disponibles dans de nombreuses tailles différentes, allant de 1.6² x 1,0 mm à 5,4² x 3,1 mm et ont récemment été étendues dans le haut de gamme.
Quels matériaux sont utilisés dans les inductances de stockage WE-MAPI?
Les inductances de stockage WE-MAPI utilisent un alliage de fer innovant pour le noyau, ce qui leur confère des valeurs d’inductance élevées dans un petit boîtier.
Quels sont les avantages des dispositifs économes en énergie?
Les dispositifs économes en énergie permettent d’économiser des ressources et de protéger l’environnement. Ils ont également une durée de vie plus longue de la batterie dans les appareils mobiles et réduisent les besoins énergétiques dans les grandes installations industrielles et serveurs.
Quelles sont les fréquences de commutation courantes dans les régulateurs de commutation modernes?
Les régulateurs de commutation modernes sont généralement cadencés à des fréquences de 800 kHz et plus.