節(jié)能設(shè)備對于保護(hù)資源和保護(hù)環(huán)境至關(guān)重要。電子設(shè)備的效率越高，移動設(shè)備的電池壽命越長，并且大型工業(yè)和服務(wù)器設(shè)施中的能源需求就越低。電源極大地影響了節(jié)能設(shè)備的基礎(chǔ)。雖然線性調(diào)節(jié)器過去是常用的電壓調(diào)節(jié)器，但現(xiàn)代電源電路現(xiàn)在使用開關(guān)電源。處理器電壓的持續(xù)降低導(dǎo)致了這一轉(zhuǎn)變。幾年前，切換到300 kHz的頻率很常見，但是如今，基于GAN和SIC晶體管的現(xiàn)代切換調(diào)節(jié)器通常以MHz的頻率運(yùn)行。另一方面，切換損失，尤其是在此高頻范圍內(nèi)存儲電感器的損失是開關(guān)電源設(shè)計(jì)的關(guān)鍵方面。

除了能源效率外，增加的能源需求變得越來越重要。計(jì)算機(jī)變得越來越強(qiáng)大，這又需要更強(qiáng)大的電源。這意味著切換電源必須提供更高的電流，因此，功率電感器必須具有更大的電流攜帶能力。小型化的額外趨勢使實(shí)現(xiàn)這種能力更加復(fù)雜。開關(guān)電源必須變得更小，更緊湊，同時(shí)在減少體積中傳遞相同甚至更高的功率。這增加了對電感器功率密度的需求。

為了滿足這些要求，對鐵合金的新材料混合物進(jìn)行了持續(xù)的研究，以進(jìn)一步減少高電流儲存器中的材??料損失。 WE-MXGI系列是基于此開發(fā)的，將的功率密度和電流功能與的R DC和的自我損失相結(jié)合，這要?dú)w功于智能材料選擇和制造技術(shù)。

電源設(shè)計(jì)人員得到了RedExpert 在線設(shè)計(jì)平臺的支持，該平臺允許以前所未有的精度確定DC和AC損失存儲電感器的損失。這是通過測量支持的過程實(shí)現(xiàn)的，該過程比Steinmetz公式可以實(shí)現(xiàn)更準(zhǔn)確的損失計(jì)算。

圖像由Bodo的Power Systems 提供

WE-MXGI存儲電感器概述

We-MXGI存儲電感器是WürthElektronik在模制存儲電感組中的線圈系列。在常規(guī)的鐵氧體窒息中，銅線通常在芯子周圍纏繞并焊接到端子上。外部屏蔽環(huán)組裝在一起，并與內(nèi)芯和繞組結(jié)合。與鐵氧體的扼流圈不同，粉末由繞繞組圍繞的創(chuàng)新鐵合金組成，從而使We-MXGI高電感值以較小的形狀為單位。獨(dú)特的結(jié)構(gòu)提供了自我屏蔽效果。

材料是溫度穩(wěn)定的，沒有熱老化的跡象，柔軟的飽和行為和的飽和度在較寬的溫度范圍內(nèi)漂移。它還具有較高的介電強(qiáng)度，可以使80 V的操作電壓規(guī)范。對Würth如何定義操作電壓的解釋可以在應(yīng)用程序注釋ANP126中找到。將額外的保護(hù)層應(yīng)用于表面，以使對環(huán)境影響和生銹形成具有抵抗力。

市場上的大多數(shù)模制電感器仍然包含焊接焊接的夾子。相反，WE-MXGI使用直接接觸方法，通過將繞組直接連接到組件的連接板來消除焊接和焊接過程。通過消除夾子，優(yōu)化了材料中的空間，從而允許更大的線圈直徑和較厚的銅線使用。這導(dǎo)致繞組的直流電阻（R DC ）顯著降低（圖1）。

圖1。WE -MXGI的直接接觸方法可實(shí)現(xiàn)低RDC值。圖像由Bodo的Power Systems [PDF]提供在應(yīng)用程序中，線圈繞組的啟動通常連接到開關(guān)調(diào)節(jié)器的開關(guān)節(jié)點(diǎn)，并且組件相應(yīng)地標(biāo)記。這減少了由繞組屏蔽的開關(guān)節(jié)點(diǎn)的耦合效果和干擾。由于基于圓線的WE-MXGI的優(yōu)化電線幾何形狀，因此使這種屏蔽效果成為可能。通常在市場上發(fā)現(xiàn)的扁平電線的產(chǎn)品沒有這種影響（圖2）。

圖2。 自屏蔽繞組和構(gòu)造可確保EMC性能的提高。圖像由Bodo的Power Systems 提供WE-MXGI系列有4 x 4 x 2mm和5 x 5 x 3mm的尺寸，并計(jì)劃進(jìn)行連續(xù)擴(kuò)展（圖3）。

圖3。WE -MXGI電感器系列的可用大小和產(chǎn)品的概述。圖像由Bodo的Power Systems提供存儲電感器損失

存儲電感器中的損失包括材料損失和繞組損失。損失機(jī)制在應(yīng)用注釋ANP031中詳細(xì)介紹。下面提供了摘要。繞組損失可以分為直流損失，主要受繞組的直流電阻RDC（方程1）的影響，以及由皮膚和接近效應(yīng)造成的AC繞組損失。

p = i 2 ·rdc（方程1）

有幾種確定繞組的交流損失的方法。例如，道爾，費(fèi)雷拉或南/沙利文方法。

可以通過簡單的設(shè)置和相應(yīng)損失的測量來確定現(xiàn)代開關(guān)調(diào)節(jié)器中損失的重要性。例如，使用了帶有24 V的輸入電壓的雄鹿轉(zhuǎn)換器。輸出在8 A的電流時(shí)提供6 V的電壓。開關(guān)頻率為1 MHz。在圖4所示的比較中，測量了We-MxGI 5030系列的2.2H電感器，并與類似尺寸的電感器進(jìn)行了比較。顯然，WE-MXGI的ACDC損失均低于競爭產(chǎn)品的ACDC損失。

圖4。 與另一個(gè)線圈相比，AC和DC損耗組件的2.2 H線圈（WE-MXGI）具有24 V輸入，6 V輸出，6 V輸出，8 A輸出電流和1 MHz的開關(guān)頻率。圖像由Bodo的Power Systems [PDF]提供在切換調(diào)節(jié)器時(shí)，線圈是重要的組件之一。因此，準(zhǔn)確確定損失和溫度升高對于選擇正確的組件至關(guān)重要。為了預(yù)測溫度升高，必須首先準(zhǔn)確確定交流損失。

一種方法是Steinmetz模型，該模型提供了可接受的近似值，特別是對于正弦激發(fā)和50％的占空比。

RedExpert中的AC損耗計(jì)算器包括 一個(gè)模型，以確定電感器中的總交流損耗。該模型基于從實(shí)時(shí)應(yīng)用程序設(shè)置獲得的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，該設(shè)置將電感器的總損失分為AC和DC損失。

使用DC/DC轉(zhuǎn)換器收集經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)。將脈沖電壓應(yīng)用于電感器，并測量輸入功率P并輸出功率P輸出。基于此，確定了p損耗= p in -p out ，并且將電感器P AC的系統(tǒng)損耗，直流損耗和AC損耗分開。該過程是針對各種參數(shù)設(shè)置進(jìn)行測量的，例如磁通量的變化，開關(guān)頻率，波紋電流等，并記錄了所有數(shù)據(jù)。使用經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，創(chuàng)建了用于計(jì)算AC損耗的模型，這是測試條件的函數(shù)（公式2）。

p ac = f（i，freq，dc，k1，k2）（公式2）交流損失模型優(yōu)勢

AC損耗模型已得到了廣泛的驗(yàn)證，并將其與現(xiàn)有模型和測量數(shù)據(jù)進(jìn)行了比較。在大型占空比和頻率范圍內(nèi)測量了各種材料的交流損失，例如We-Superflux，Iron Powder，Nizn，MnZN等，并與理論模型進(jìn)行了測量（圖5）。

經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)基于DC/DC轉(zhuǎn)換器

準(zhǔn)確確定任何給定占空比的損失

準(zhǔn)確的頻率范圍（10 kHz至10 MHz）

即使考慮到材料和繞組結(jié)構(gòu)的變化

適用于具有多種材料的組件

確定鐵粉和金屬合金組件中的損失

對任何形狀和繞組結(jié)構(gòu)有效

包括交流繞組損失

該圖顯示了由Steinmetz功率方程（P ST），修改的Steinmetz方程（P MSE）和廣義Steinmetz方程（P GSE）確定的損失。在RedExpert中，通過WürthAC損耗模型計(jì)算后標(biāo)記了交流損耗。 “真實(shí)”代表測得的交流損失。

由各種Steinmetz模型計(jì)算出的MNZN和鐵粉材料的AC損失，該占空比的占空比損失，該模型用RedExpert模擬，并在現(xiàn)實(shí)中進(jìn)行了測量。圖片使用了Bodo的電力系統(tǒng) [PDF