05701-A-0302 用于节能应用的储能电感器

　　节能设备对于节约资源和保护环境至关重要。电子产品的效率越高，移动设备的电池寿命就越长，大型工业和服务器设备的能源需求就越低。电源对节能设备的基础有重大影响。虽然线性稳压器是过去使用最多的稳压器，但现代电力电子电路现在使用开关电源。处理器电压的持续降低促成了这种转变。几年前，高达300 kHz的开关频率很常见，但今天，现代基于GaN和SiC晶体管的开关稳压器通常工作在MHz的频率上。一方面，开关损耗，另一方面，尤其是存储电感在该高频范围内的损耗，是开关电源设计中的关键因素。

　　除了能源效率，增加能源需求也变得越来越重要。计算机变得越来越强大，这反过来需要更强大的电源。这意味着开关电源必须提供更高的电流，因此功率电感必须具有更大的载流能力。实现这种能力由于小型化的额外趋势而变得更加复杂。开关电源必须变得更小、更紧凑，同时以更小的体积提供相同甚至更高的功率。这增加了对电感器功率密度的要求。

　　为了满足这些要求，对铁合金的新材料混合物进行了持续的研究，以进一步降低大电流存储电感器中的磁芯材料损耗。WE-MXGI系列就是在此基础上发展起来的，它将最佳的功率密度和载流能力与最低的R直流电和制造技术，将自身损耗降至最低。

　　支持电源设计人员重新专家在线设计平台，能够以前所未有的精度确定储能电感的DC和交流损耗。这是通过支持测量的流程实现的，与相比，该流程能够实现更精确的铁损计算斯坦梅茨公式.

　　图片由提供博多的动力系统[PDF]

　　WE-MXGI储能电感概述

　　WE-MXGI储能电感器是Würth Elektronik在模制储能电感器组中的最新线圈系列。在传统的铁氧体扼流圈中，铜线通常缠绕在磁芯上，并钎焊或焊接到端子上。外屏蔽环与内芯和绕组组装并粘合。与铁氧体扼流圈不同，铁芯粉末由创新的铁合金组成，围绕绕组成型，使WE-MXGI在小尺寸中具有高电感值。独特的核心结构提供了自我屏蔽的效果。

　　内核材料温度稳定，没有热老化迹象，在较宽的温度范围内具有软饱和行为和最小的饱和漂移。它还具有较高的介电强度，工作电压规格为80 V。有关Würth如何定义工作电压的说明，请参见应用笔记ANP126。额外的保护层应用于表面，以使芯抵抗环境影响和生锈。

　　市场上的大多数模制电感器仍然包含一个夹子，绕组焊接到该夹子上。相比之下，WE-MXGI使用直接接触方法，通过将绕组直接连接到元件的连接焊盘，消除了锡焊和焊接过程。通过取消夹子，磁芯材料内的空间得到优化，允许更大的线圈直径和使用更粗的铜线。这导致显著降低的DC阻力(R直流电)的绕组(图1)。

　　图一。WE-MXGI的直接接触方法可实现低RDC值。图片由提供博多的动力系统[PDF]

　　在应用中，线圈绕组的起点通常连接到开关调节器的开关节点，并且相应地标记该元件。这减少了耦合效应和来自开关节点的干扰，开关节点被绕组屏蔽。由于WE-MXGI的优化导线几何形状基于圆形导线，这种屏蔽效果成为可能。市场上常见的基于扁平线的产品没有这种效应(图2)。

　　图二。自屏蔽绕组和磁芯结构可确保改善EMC性能。图片由提供博多的动力系统[PDF]

　　WE-MXGI系列有4 x 4 x 2 mm和5 x 5 x 3 mm两种尺寸可供选择，并计划进行持续扩展(图3)。

　　图3。WE-MXGI电感器系列的可用尺寸和产品概述。图片由提供博多的动力系统[PDF]

　　储能电感损耗

　　储能电感器中的损耗包括磁芯材料损耗和绕组损耗。损失机制详见应用笔记ANP031。下文提供了一份摘要。绕组损耗可分为DC损耗和交流损耗，前者主要受绕组的DC电阻RDC影响(等式1)，后者由趋肤效应和邻近效应引起。

　　P = I2RDC(等式1)

　　有几种方法可以确定绕组的交流损耗;例如，在道尔、费雷拉或南/沙利文方法。

　　现代开关调节器中损耗的重要性可以通过简单的设置和相应损耗的测量来确定。例如，使用输入电压为24 V的降压转换器。输出提供6 V电压和8 A电流，开关频率为1 MHz。在图4所示的对比中，测量了WE-MXGI 5030系列的2.2 H电感，并与类似尺寸的电感进行了比较。很明显，WE-MXGI的ACDC损耗都低于竞争产品。

　　图4。降压转换器中一个2.2 H线圈(WE-MXGI)的交流和DC损耗，输入为24 V，输出为6 V，输出电流为8 A，开关频率为1 MHz，与另一个线圈相比。图片由提供博多的动力系统[PDF]

　　在开关稳压器中，线圈是最重要的元件之一。因此，准确确定损耗和温升对于选择正确的器件至关重要。要预测温升，首先必须准确确定交流损耗。

　　一种方法是斯坦梅茨模型，它提供了一个可接受的近似值，特别是对于正弦激励和50%占空比。

　　这REDEXPERT中的交流损耗计算器包括精确确定电感器中总交流损耗的模型。该模型基于从实时应用设置中获得的经验数据，其中电感的总损耗分为交流损耗和DC损耗。

　　使用DC/DC转换器收集经验数据。输入功率为P的脉动电压施加到电感器上在和输出功率P在外有分寸。基于此，P失败= P在- P在外系统损耗、DC损耗和电感器P的交流损耗交流电(alternating current)被分开了。该过程针对各种参数设置进行测量，例如磁通量、开关频率、纹波电流等的变化。–记录所有数据。使用经验数据，创建一个计算交流损耗的模型，作为测试条件的函数(等式2)。

　　P交流电(alternating current)= f(⇼I，freq，DC，k1，k2)(等式2)

　　交流损耗模型优势

　　交流损耗模型已经过广泛验证，并与现有模型和测量数据进行了比较。各种材料的交流损耗，如超流、铁粉、镍锌、锰锌等。，在较大的占空比和频率范围内进行了测量，并与理论模型进行了比较(图5)。

　　经验数据基于DC/DC转换器

　　精确确定任何给定占空比的损耗

　　在较宽的频率范围内精确(10 kHz至10 MHz)

　　考虑磁芯材料和绕组结构的最小变化

　　适用于具有多种材料的组件

　　铁粉和金属合金部件损耗的精确测定

　　适用于任何铁芯形状和绕组结构

　　包括交流绕组损耗

　　图表显示了由斯坦梅茨功率方程(P标准时间)，修正的斯坦梅茨方程(P均方误差(mean square error))，以及广义斯坦梅茨方程(P政府资助企业).在REDEXPERT中，交流损耗是用Würth交流损耗模型计算后标记的。“真实”代表测得的交流损耗。

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　　图5。MnZn和铁粉芯材料在33%占空比下的交流损耗，由各种斯坦梅茨模型计算，用REDEXPERT模拟，并在实际中测量。图片由提供博多的动力系统[PDF

　　使用REDEXPERT选择WE-MXGI

　　WE-MXGI储能电感采用创新的内核材料和精心设计，经过优化，可在尽可能小的空间内实现最大功率和效率，是现代开关转换器的理想之选。对于高能效开关调节器，最好使用REDEXPERT选择合适的WE-MXGI储能电感(图6)。它集成了世界上最精确的交流损耗模型，实现了频率、纹波电流和占空比等各种参数的高精度。此外，一旦输入了客户应用所需的参数，REDEXPERT会推荐合适的产品。

　　图6。使用WE-MXGI元件在REDEXPERT中仿真DC/DC降压转换器。图片由提供博多的动力系统[PDF]

　　伍尔特电子公司的电流额定值计算器帮助选择合适的产品，包括基于测量数据的每个电感的热模型，根据PCB尺寸确定额定电流。功率扼流圈热行为的解释可参见应用笔记ANP096.