Композитные силовые дроссели
Евгений Каретников
Статья размещена в журнале «Электронные Компоненты» № 7-2026г.
В статье рассматриваются особенности силовых дросселей с композитным сердечником. Основное внимание уделяется механизмам деградации дросселей при неверно выбранных условиях эксплуатации – рабочему напряжению и температуре сердечника. Цель статьи – указать на особенности композитных дросселей и предостеречь разработчиков от некорректного выбора условий эксплуатации.
Введение
Композитные силовые дроссели (Molded Power Inductors) нашли широкое применение в силовой электронике благодаря компактным размерам и отличным магнитным свойствам. Технология их производства относительно проста и давно отлажена: эмалированная медная обмотка помещается в специальную форму и под высоким давлением запрессовывается порошковым металлическим композитом.
В результате получается дроссель с распределенным воздушным зазором в форме металлического параллелепипеда с выводами для поверхностного монтажа. В качестве изоляционного материала используется синтетическая смола. У композитных дросселей – минимальные потери мощности, а их КПД превышает 95%.
Заметим, что распределенный воздушный зазор не вызывает концентрацию магнитного поля – оно равномерно распределяется по сердечнику. Однако при сосредоточенном воздушном зазоре поле уплотняется (концентрируется) из-за большого магнитного сопротивления, что приводит к увеличению вихревых токов и соответствующему возрастанию потерь.
Особенности эксплуатации композитных силовых дросселей
Благодаря улучшению техпроцесса производства для улучшения магнитных свойств количество и размер металлических частиц увеличивается, а изоляционный промежуток между ними уменьшается. Поэтому при выборе композитных дросселей следует обращать внимание на максимально допустимое значение рабочего напряжения VOP. Если длительное рабочее напряжение дросселя превысит установленный производителем порог, произойдет электрический пробой между отдельными железными частицами сердечника.
Кроме допустимого рабочего напряжения производитель указывает максимальное пиковое напряжение VP, которое прикладывается к дросселю в коротком импульсе. На рис. 1 показано рабочее и пиковое напряжения в процессе коммутации понижающего DC/DC-преобразователя.
Рис. 1. Рабочее и пиковое напряжение дросселя в процессе коммутации понижающего DC/DC- преобразователя
Локальный электрический пробой элементов сердечника не всегда можно увидеть невооруженным глазом. Если измерить индуктивность и сопротивление дросселя, подвергшегося такому пробою, можно обнаружить, что оба параметра не вышли за границы указанного производителем допуска. Тем не менее повреждение даст о себе знать в процессе работы.
В [1] описаны сравнительные испытания DC/DC-преобразователя с входным напряжением 18 В, выходным напряжением 5 В и средним выходным током 1 А. В одном случае преобразователь работал с исправным дросселем, а в другом – с поврежденным, параметры которого не выходили за пределы допустимых, указанных в документации производителя. Результаты показаны на осциллограммах токов на рис. 2.
Рис. 2. Осциллограммы токов DC/DC-преобразователей с: а) исправным; б) поврежденным дросселем
Поскольку локальный электрический пробой привел к увеличению тока утечки, дроссель из «чистой» индуктивности превратился в компонент с включенным параллельно индуктивности резистором, как показано на рис. 3.
Рис. 3. Эквивалентная схема DC/DC-преобразователя с поврежденным дросселем
При этом работа DC/DC-преобразователя не была нарушена: его выходное напряжение по-прежнему составляло 5 В, а ток средний нагрузки – 1 А. Однако измерения с помощью тепловизора показали, что температура исправного дросселя была равна 42,9°С, а неисправный нагрелся до 118,3°С; при этом потери в дросселе увеличились в два раза. Потери возросли из-за увеличения сопротивления медной обмотки при нагреве и из-за возрастания потерь на вихревые токи в сердечнике дросселя.
Несмотря на все достоинства композитных дросселей, они, как и другие компоненты, подвержены старению. Одним из факторов, влияющих на этот процесс, является работа при повышенных температурах, вызывающая термическое старение, при котором происходят необратимые изменения в структуре сердечника. Деградация начинается при длительном воздействии высоких температур, которые ухудшают электрическую изоляцию между проводящими частицами сердечника, приводя к возрастанию в нем потерь и, как следствие, к уменьшению добротности Q.
Помимо термического старения, в дросселях некоторых типов повышение температуры приводит к уменьшению индуктивности из-за изменения магнитной проницаемости материала. Этот эффект наблюдается в ферритовых дросселях, но практически отсутствует в композитных дросселях. На рис. 4 показана зависимость индуктивности от тока для композитных и ферритовых дросселей при 25°С (верхний график) и 150°С (нижний график).
Рис. 4. Зависимость индуктивности от тока для композитных (голубая кривая) и ферритовых (оранжевая кривая) дросселей при 25°С и 150°С
В отличие от термической деградации, изменение магнитной проницаемости при повышенной температуре носит обратимый характер, поэтому следует различать описанные выше процессы теплового воздействия.
Как ни странно, но испытания не всегда позволяют выявить процесс термической деградации. Обычно производитель указывает данные дросселя, полученные при испытаниях на частоте 100 кГц при напряжении 100 мВ и токе 10 мА. Такие же условия испытаний указаны и в стандартах, тогда как процесс деградации проявляется с нескольких мегагерц и при более высоком напряжении. В этом случае повторяется та же ситуация, что и с описанным выше локальным электрическим пробоем – дефект виден лишь при работе в составе преобразователя.
В [2] описан масштабный эксперимент, проведенный сотрудниками компании Würth Elektronik. Они испытали 100 композитных дросселей индуктивностью 10 мкГн. Дроссели в течение 1000 ч находились в климатической камере при 200°С, после чего были измерены их индуктивность и добротность. Результаты представлены на рис. 5.
Рис. 5. Экспериментально полученные зависимости: а) индуктивности; б) добротности в функции времени выдержки при 200°С
Мы не сомневаемся в качестве дросселей компании Würth Elektronik и не сбираемся рекламировать ее продукцию, но хотим обратить внимание на одно обстоятельство. Индуктивность дросселей изменилась в диапазоне ±20%, что укладывается в указанный производителем допуск. Однако снижение добротности было гораздо значительнее, следовательно, и потери в дросселе возросли. Добавим, что индуктивность измерялась при 100 кГц, как и предписывалось производителем, а добротность определялась при более высокой частоте – 2 МГц.
Еще одним фактором, вызывающим деградацию композитных дросселей, является эффект перколяции (Percolation phenomenon), который проявляется под воздействием повышенного напряжения и высокой температуры. Эффект перколяции заключается в появлении микропроводников между частицами металлической пудры сердечника (рис. 6), что приводит к увеличению в нем потерь.
Рис. 6. Структура сердечника композитного дросселя
Критическая точка, когда сердечник переходит в проводящее состояние, называется порогом перколяции.
Проводящие частицы состоят из специально разработанных магнито-мягких материалов и покрыты тонким изоляционным слоем. В нормальных условиях эффект перколяции проявляется по мере увеличения концентрации проводящих частиц. Однако при высоких напряжениях или высоких температурах перколяция происходит даже при небольшом количестве проводящих материалов.
Под действием электрического поля высокой напряженности или повышенной температуры проводящие частицы сталкиваются друг с другом, приводя к перемещению электрических зарядов и позволяя электронам преодолевать изоляционный слой в материале. При этом, как показано на рис. 7, существует нелинейная зависимость между ухудшением изоляции и увеличением электропроводности.
Рис. 7. Нелинейная зависимость между ухудшением изоляции и увеличением электропроводности
Линиями желтого цвета на фрагментах сердечника (рис. 7) обозначены микропроводники. В [1] показаны экспериментальные результаты исследования перколяции. Приведем один из них: на рис. 8 показано влияние перколяции на зависимость добротности от частоты.
Рис. 8. Влияние перколяции на зависимость добротности от частоты
Эффект перколяции приводит к дополнительным потерям. Его влияние также можно отразить на эквивалентной схеме, как было показано выше (см. рис. 3). В [3] был поставлен эксперимент по оценке влияния перколяции на работу DC/DC-преобразователя. Для эксперимента был выбран фильтрующий композитный дроссель 10 мкГн. Параметры понижающего DC/DC-преобразователя:
- входное напряжение: 14 В;
- выходное напряжение: 5 В;
- выходной ток: 1,3 А;
- рабочая частота: 1020 кГц.
Осциллограммы работы преобразователя на разных стадиях перколяции представлены на рис. 9.
Рис. 9. Осциллограммы работы преобразователя на разных стадиях перколяции: а) перколяция отсутствует; б) начальная стадия; в) высокий уровень; г) проводимость. Напряжение на дросселе – синяя кривая; ток дросселя – зеленая кривая; БПФ тока дросселя – серая линия
Как видно из представленных результатов, перколяция отчетливо проявляется на осциллограмме тока дросселя. Особенно отчетливо изменение тока дросселя видно на его спектре, полученном с помощью быстрого преобразования Фурье. Увеличение гармонического состава тока помимо дополнительных потерь в обмотке и сердечнике может привести также к увеличению электромагнитных помех.
В заключение заметим, что мы рассмотрели механизмы деградации композитных дросселей не для того, чтобы показать их непригодность для использования, а с целью предостеречь разработчиков от неправильного выбора. При корректном выборе и соблюдении указанных производителем рабочих условий композитные дроссели прослужат долго и надежно.
Реклама в журнале: anton.denissov@ecomp.ru
Литература
- Molded Inductors // https://www.powersystemsdesign.com/
- Introduction to Thermal Aging in Molded Power Inductors // https://www.we-online.com/
- Effects of Molded Power Inductor Degradation Due to Higher Voltage Or Temperature in a DC/DC Converter // https://www.we-online.com/
Источник: elcomdesign.ru