อุปกรณ์ผลักดันพลังงาน: การบรรลุประสิทธิภาพสูงขึ้นจากวัสดุใหม่และเทคโนโลยีการผลิต

ส่วนประกอบแบบพาสซีฟในวงจรอิเล็กทรอนิกส์มีสามประเภท ได้แก่ ตัวต้านทาน ตัวเก็บประจุ และตัวเหนี่ยวนำ ซึ่งในจำนวนนี้ตัวเหนี่ยวนำอาจมีหลักการที่แปลกประหลาดที่สุด ปรากฏการณ์ของการเหนี่ยวนำถูกค้นพบโดย Michael Faraday และ Joseph Henry ในช่วงทศวรรษที่ 1830: ฟาราเดย์ค้นพบว่าสนามแม่เหล็กที่เปลี่ยนแปลงสามารถเหนี่ยวนำกระแสไฟฟ้าได้ เฮนรีศึกษาปรากฏการณ์ "การเหนี่ยวนำตัวเอง" อย่างอิสระ ซึ่งหมายถึงการเหนี่ยวนำกระแสในตัวนำภายในตัวมันเอง

ก่อนที่ผู้คนจะเข้าใจแม่เหล็กไฟฟ้าอย่างถ่องแท้ ยังคงเป็นปริศนาที่ว่าการพันสายไฟเข้ากับขดสามารถเปลี่ยนคุณสมบัติทางไฟฟ้าได้ ในช่วงแรก ๆ ของวิทยุ ผู้ชื่นชอบงาน DIY จะใช้แท่งแม่เหล็กหรือท่อกระดาษแข็งที่มีความยาวเพียงไม่กี่นิ้ว พันด้วยลวดหลายสิบรอบเพื่อสร้างตัวเหนี่ยวนำคอยล์จูนเพื่อประกอบวิทยุทรานซิสเตอร์

สัญลักษณ์แผนผังของตัวเหนี่ยวนำจะขึ้นอยู่กับการออกแบบรูปลักษณ์ทางกายภาพ (รูปที่ 1) ประเภทของตัวเหนี่ยวนำ ได้แก่ กลวง แกนเหล็ก และตัวแปร

รูปที่ 1: ตัวเหนี่ยวนำ (รูปขวา) ถูกสร้างขึ้นครั้งแรกโดยสายไฟที่พันรอบท่อกลวงหรือแกนเหล็ก สัญลักษณ์หลักการที่เกี่ยวข้องจะแสดงอยู่ในภาพ (ภาพซ้าย) (ที่มาของภาพ: Hackatronic.com)

ตัวเหนี่ยวนำเป็นคุณลักษณะของตัวนำ และเนื่องจากผลของสนามแม่เหล็ก กระแสที่ไหลผ่านตัวนำจึงมักจะเปลี่ยนแปลง ดังนั้นตัวเหนี่ยวนำบางครั้งเรียกว่าโช้คเนื่องจากสามารถ "ทำให้หายใจไม่ออก" การเปลี่ยนแปลงในปัจจุบันได้ ความสัมพันธ์ระหว่างตัวเหนี่ยวนำ (L) และอัตราการเปลี่ยนแปลงของแรงดันไฟฟ้า (V) และกระแส (I) สามารถแสดงได้ด้วยสมการง่ายๆ: V=L (dI/dt)

แม้ว่าตัวเหนี่ยวนำคอยล์พันแผลจะยังคงใช้กันอย่างแพร่หลาย แต่ก็ไม่เหมาะกับหลายวงจรในปัจจุบันอีกต่อไป อาจมีขนาดใหญ่เกินไป ไม่สามารถให้ค่าที่ต้องการได้ แสดงผลจากปรสิตที่ไม่พึงประสงค์ มีความต้านทานกระแสตรงสูง (DCR) และแสดงประสิทธิภาพการทำงานที่ความถี่สูงขึ้น เมื่อเปรียบเทียบกับผู้ที่ชื่นชอบวิทยุ DIY ในยุคแรกๆ ตอนนี้ตัวเหนี่ยวนำบาดแผลสำเร็จรูปสำหรับการใช้งานความถี่วิทยุ (RF) ที่มีขนาดน้อยกว่า 1 ตารางมิลลิเมตร (มม. 2) มีวางจำหน่ายแล้ว

ตัวเหนี่ยวนำที่ทันสมัยสำหรับตัวแปลงพลังงาน
แม้ว่าตัวเหนี่ยวนำจะมีความก้าวหน้าอย่างมาก แม้แต่ตัวเหนี่ยวนำคอยล์ที่ได้รับการปรับปรุงก็มีข้อบกพร่องในด้านประสิทธิภาพและขนาดสำหรับวงจรสมัยใหม่ ตัวเหนี่ยวนำกำลังสมัยใหม่เป็นส่วนประกอบที่มีความแม่นยำซึ่งได้รับการสร้างแบบจำลองอย่างระมัดระวัง โดยมีพารามิเตอร์หลักและพารามิเตอร์รองที่กำหนดไว้อย่างสมบูรณ์ และคุณสมบัติได้รับการปรับปรุงให้เหมาะสมตามลำดับความสำคัญของการใช้งานที่แตกต่างกัน

นอกจากนี้ ซัพพลายเออร์ยังได้พัฒนาวัสดุใหม่เพื่อตอบสนองความต้องการของโทโพโลยีการจ่ายไฟแบบสวิตชิ่งต่างๆ เช่น คอนเวอร์เตอร์ตัวเหนี่ยวนำหลักปลายเดียว (SEPIC), คอนเวอร์เตอร์ Ć uk (ตั้งชื่อตามนักประดิษฐ์ Slobodan Ć uk) และการกำหนดค่าบูสต์บูสต์ต่างๆ

ตัวเหนี่ยวนำเหล่านี้ส่วนใหญ่ใช้วัสดุเฟอร์ไรต์และผงขั้นสูง และได้รับการปรับแต่งคุณลักษณะอย่างระมัดระวัง ตัวเหนี่ยวนำเหล่านี้มี DCR ต่ำมาก (ปรับปรุงค่า Q ตัวเหนี่ยวนำให้ดีขึ้นอย่างเห็นได้ชัด ซึ่งเป็นค่ามาตรฐานสำหรับการวัดประสิทธิภาพตัวเหนี่ยวนำ) และการม้วนตัวของตัวเหนี่ยวนำที่ราบรื่น อย่างหลังหมายถึงระดับที่ค่าความเหนี่ยวนำจริงลดลงหรือ "ม้วนออก" เนื่องจากความอิ่มตัวของแกนแม่เหล็กเมื่อกระแส DC เพิ่มขึ้น คล้ายกับการตอบสนองความถี่ที่หลุดออกจากตัวกรอง

ตัวเหนี่ยวนำที่ใช้ในแหล่งจ่ายไฟมักจะต้องมีความสามารถในการจัดการกระแสไฟฟ้าที่ได้รับการจัดอันดับค่อนข้างสูง โดยทั่วไปจะมีค่าหลายสิบแอมแปร์ พารามิเตอร์นี้ไม่ได้ถูกกำหนดด้วยค่าเดียว แต่ด้วยหลายค่า เช่น กระแสกำลังสองเฉลี่ยราก (Irms) กระแสสูงสุด (Ipeak) และกระแสอิ่มตัว (Isat) ตัวเหนี่ยวนำที่ผู้ผลิตจัดหาให้จะมีค่าผสมกระแสพิกัดที่แตกต่างกันและการอ้างอิงพารามิเตอร์ระดับบนสุดอื่นๆ เพื่อให้เป็นไปตามข้อกำหนดลำดับความสำคัญของโครงสร้างโทโพโลยีต่างๆ

ผู้ผลิตยังได้พัฒนาวัสดุขั้นสูงและเทคโนโลยีการยึดพื้นผิว (SMT) (รูปที่ 2) ที่สามารถทนต่อความร้อนที่เกี่ยวข้องได้โดยไม่กระทบต่อประสิทธิภาพหรือความน่าเชื่อถือ ประเภทชีลด์ช่วยลดปัญหาการรบกวนคลื่นความถี่วิทยุ (RFI) ในการใช้งานที่มีความละเอียดอ่อน

รูปที่ 2: ตัวเหนี่ยวนำ SMT กำลังสูงสามารถให้ขนาดที่เล็กจนน่าประหลาดใจได้หลากหลายโดยไม่กระทบต่อประสิทธิภาพ (แหล่งรูปภาพ: อีตัน)

ซีรีส์ตัวเหนี่ยวนำขึ้นรูป HCM/HPAL จากแผนกอิเล็กทรอนิกส์ของ Eaton สะท้อนให้เห็นถึงความก้าวหน้าและความแตกต่างของตัวเหนี่ยวนำที่ปรับให้เหมาะสมกับคอนเวอร์เตอร์เหล่านี้ ทั้งสองซีรีส์ใช้วัสดุตัวเหนี่ยวนำขั้นสูง ซึ่งโดดเด่นด้วยความทนทาน กระแสไฟฟ้าสูง และ EMI ต่ำ โครงสร้างแบบหล่อสามารถทำให้เกิดการม้วนตัวเหนี่ยวนำแบบอ่อนในช่วงกระแสไฟพิกัดต่างๆ

อุปกรณ์ซีรีส์ HCM และ HPAL มีหลายขนาด แต่มีขนาดค่อนข้างเล็ก

เพื่อให้มั่นใจในความน่าเชื่อถือและความทนทาน อุณหภูมิการทำงานที่กำหนดของอุปกรณ์ HCM/HPAL คือ -55 ถึง 125 ° C (อุณหภูมิแวดล้อมบวกอุณหภูมิที่เพิ่มขึ้นในตัวเอง) และมีสารยับยั้งการเกิดสนิมที่ช่วยป้องกันการเกิดสนิมที่พื้นผิวเนื่องจากสภาพแวดล้อมที่ชื้น (MSL ระดับ 1)

ซีรีส์ HCM ใช้ผงเหล็กอัดขึ้นรูปขั้นสูงพร้อมประสิทธิภาพ Isat ที่ยอดเยี่ยม ซึ่งสามารถเห็นได้ในอุปกรณ์ตัวแทนสองชนิด ได้แก่ HCM0503V2-R68-R และ HCM0503V2-4R7-R HCM0503V2-R68-R คือตัวเหนี่ยวนำ DCR แบบไม่ชีลด์ 680 นาโนเฮนรี (nH), 8 มิลลิโอห์ม (m Ω) พร้อมความถี่ในการทำงานสูงสุด 1 เมกะเฮิรตซ์ (MHz) ขนาดเพียง 5.7 × 5.4 × 3.0 มม. โดยมีพิกัดกระแส 10 แอมแปร์ (A) (Irms)/12 แอมแปร์ (Isat) HCM0503V2-4R7-R ใช้ขนาดแพ็คเกจเดียวกัน แต่เหมาะสำหรับสถานการณ์ที่ต้องการความเหนี่ยวนำสูงกว่า เป็นอุปกรณ์ไม่มีฉนวนป้องกัน 4.7 µH, 47 m Ω โดยมีพิกัดกระแสไฟฟ้า 4.1 A (Irms)/6 A (Isat)

ในทางตรงกันข้าม ตัวเหนี่ยวนำ HPAL ใช้ผงโลหะผสมเพื่อให้ได้ DCR ที่ต่ำกว่าและ Irms ที่สูงขึ้น ในขณะเดียวกันก็รักษาการสูญเสียแกนกลางที่ต่ำกว่า ช่วงกำลังของตัวเหนี่ยวนำซีรีส์นี้คือตั้งแต่ 0.15 μ H ถึง 10 μ H และกระแสอยู่ที่ตั้งแต่ 4.5 A ถึง 40 A มีฟังก์ชันป้องกันแม่เหล็กไฟฟ้า (EMI) ซึ่งมีความสำคัญในการใช้งานบางอย่าง อุปกรณ์ตัวอย่าง ได้แก่ HPAL1V0630-R47-R (ตัวเหนี่ยวนำ 470 nH, 4.1 m Ω พิกัดที่ 18 A (Irms) และ 20 A (Isat)) และ HPAL1V0630-8R2-R (ตัวเหนี่ยวนำ 8.2 µ H, 55 m Ω พิกัดที่ 5 A (Irms) และ 5.5 A (Isat))

กราฟในรูปที่ 3 แสดงความสัมพันธ์แบบโรลออฟระหว่างตัวเหนี่ยวนำที่ระบุ กระแส DC และอุณหภูมิของตัวเหนี่ยวนำ HPAL1V0630-8R2-R