インダクタンスはDC/DC電源において重要な要素です。インダクタンス値、直流抵抗（DCR）、サイズ、飽和電流など、インダクタンスの選定には考慮すべき要素が数多くあります。インダクタンスの飽和特性はしばしば誤解され、トラブルの原因となります。本稿では、インダクタンスがどのように飽和するか、飽和が回路にどのような影響を与えるか、そしてインダクタンス飽和の検出方法について説明します。
インダクタンス飽和により
まず、図1に示すように、インダクタンス飽和が何であるかを直感的に理解します。
図1
図 1 のコイルに電流が流れると、コイルが磁場を生成することがわかります。
磁心は磁場の作用により磁化され、内部の磁区がゆっくりと回転します。
磁気コアが完全に磁化されると、磁区の方向は磁場とすべて同じになり、外部磁場が増加しても磁気コアには回転できる磁区がなくなり、インダクタンスは飽和状態になります。
別の観点から見ると、図2に示す磁化曲線において、磁束密度Bと磁場強度Hの関係は、図2の右側の式を満たしています。
磁束密度が Bm に達すると、磁界強度の増加に伴って磁束密度が大幅に増加しなくなり、インダクタンスが飽和します。
インダクタンスと透磁率µの関係から次のことがわかります。
インダクタンスが飽和すると、μm が大幅に減少し、最終的にはインダクタンスが大幅に減少し、電流を抑制する能力が失われます。
図2
インダクタンス飽和を判断するためのヒント
実際のアプリケーションでインダクタンス飽和を判断するためのヒントはありますか?
それは理論計算と実験テストという 2 つの主なカテゴリにまとめることができます。
☆理論計算は最大磁束密度と最大インダクタンス電流から始めることができます。
☆実験テストは主にインダクタンス電流波形とその他の予備的な判断方法に焦点を当てています。
これらの方法については以下で説明します。
磁束密度を計算する
この方法は、磁心を用いたインダクタンス設計に適しています。磁心のパラメータには、磁気回路長le、有効断面積Aeなどがあります。磁心の種類によって、対応する磁性材料のグレードも決まり、磁性材料は磁心の損失と飽和磁束密度に適切な規定を与えます。
これらの材料を使用すると、実際の設計状況に応じて最大磁束密度を次のように計算できます。
実際には、ur の代わりに ui を使用することで計算を簡略化できます。最後に、磁性材料の飽和磁束密度と比較して、設計されたインダクタンスに飽和のリスクがあるかどうかを判断できます。
最大インダクタンス電流を計算する
この方法は、完成したインダクタを使用して直接回路を設計するのに適しています。
回路トポロジが異なれば、インダクタンス電流を計算する式も異なります。
降圧チップ MP2145 を例にとると、次の式に従って計算し、計算結果をインダクタンスの規格値と比較して、インダクタンスが飽和するかどうかを判断できます。
誘導電流波形から判断する
この方法は、エンジニアリングの実践において最も一般的かつ実用的な方法でもあります。
MP2145を例に、MPSmartシミュレーションツールを使用してシミュレーションを行いました。シミュレーション波形を見ると、インダクタが飽和していない場合は、インダクタ電流が一定の傾きを持つ三角波であることがわかります。インダクタが飽和すると、インダクタ電流波形に明らかな歪みが生じますが、これは飽和後のインダクタンスの減少によるものです。
エンジニアリングの実践では、これに基づいてインダクタンス電流波形の歪みがあるかどうかを観察して、インダクタンスが飽和しているかどうかを判断できます。
以下はMP2145デモボードで測定した波形です。飽和後に明らかな歪みが生じていることがわかりますが、これはシミュレーション結果と一致しています。
インダクタンスが異常に加熱されているかどうかを測定し、異常な笛の音を聞きます
エンジニアリングの実務では、正確なコアの種類がわからず、インダクタンスの飽和電流の大きさを知ることが難しく、インダクタンス電流をテストすることが不便な状況が多くあります。このような場合、インダクタンスに異常な温度上昇があるかどうかを測定したり、異常な悲鳴があるかどうかを聞いたりすることで、飽和が発生したかどうかを事前に判断することもできます。
ここではインダクタンス飽和を判断するためのヒントをいくつか紹介しました。お役に立てれば幸いです。
投稿日時: 2023年7月7日
