Induttori di Potenza, comprenderne le caratteristiche


Tutti gli alimentatori a commutazione richiedono uno o più componenti dedicati ad immagazzinare l'energia, degli induttori nella gran parte delle tipologie switching. Il loro ruolo è centrale per il funzionamento del circuito e pertanto la scelta del componente più adatto va ponderata basandosi su una serie di criteri diversi. Dato che gli induttori per alimentatori vengono offerti in una gamma assai ampia da molti produttori scegliere il modello che maggiormente si conforma alle reali necessità può non essere semplice. Per questo predisporremo un fascicolo (pagina in allestimento, ndr) che riporta le caratteristiche di una nutrita serie di componenti magnetici discreti indicando la serie di valori disponibile, la tolleranza di fabbricazione, la massima corrente (Ia), la corrente di saturazione (Isat), la resistenza continua (Rdc), la frequenza di risonanza (Fres) ed infine il prezzo. Fattore quest'ultimo che pure subendo le variazioni del mercato è un indice che si rileva utile a livello pratico nel selezionare marca e modello in base alle finalità del proprio progetto.

Comprendere le caratteristiche degli induttori è importante, soprattutto in ogni contesto che vede trattare medie e grande potenze. Per rispondere ai quesiti che alcuni visitatori del sito ci hanno indirizzato definiamo di seguito il significato dei singoli parametri elettrici e come questi vanno ad incidere concretamente nel funzionamento dei circuiti.

IA, la massima corrente continua :

Un fattore basilare ma non per questo banale. Dal punto di vista formale indica il limite superiore di corrente continua (DC) che causa un aumento della temperatura sull'induttore di 40°C. Nel caso l'applicazione veda una corrente con parte alternata (AC) non trascurabile vi è in prima approssimazione una corrispondenza con il valore RMS. Come si vede il limite è di tipo termico e riguarda il riscaldamento del componente durante il ciclo di funzionamento. Il linea generale un tipico induttore è utilizzabile sino a temperature sull'ordine di 130°C, dato che il parametro viene misurato partendo da una temperatura ambiente sui 25°C è chiaro che in condizioni normali vi è un margine di sicurezza, ma se l'alimentatore opererà in un ambiente con scarsa ventilazione oppure si preferisce avere un circuito più freddo in ogni sua parte diviene d'obbligo selezionare un induttore con rating superiore.

Esempio di induttori E-Core

Figura 2: Esempio di induttori E-Core per alte correnti

ISAT, la corrente di saturazione :

Si tratta del valore di corrente continua (DC) che causa una diminuzione dell'induttanza per saturazione del nucleo ferro-magnetico nell'ordine, tipicamente, del 10%. Alcuni produttori considerano una percentuale diversa sebbene non troppo difforme dalla cifra indicata. Ricordiamo che il comportamento di ogni componente dipende dalle caratteristiche di saturazione del materiale che concentra il flusso magnetico. In termini pratici tutti gli induttori utilizzati nei converter DC/DC vedono l'impiego di tali nuclei, una volta selezionato dal progetto il valore coretto di una induttanza la scelta finale del prodotto deve prendere in esame come avviene il fenomeno della saturazione e cosa ciò può comportare sul funzionamento del circuito. A complicare lo scenario vi sono altri fattori che entrano in gioco con esigenze peculiari. Ad esempio volendo generalizzare i convertitori switching a più alta efficienza non possono permettersi di fare uso di nuclei in polvere di ferro, economici ma con perdite sostenute a carico del materiale, dando la preferenza alle più costose ferriti che assicurano migliori performance energetiche. Va aggiunto che le perdite nelle ferriti sono grossomodo inversamente proporzionali al valore di induttanza, ma valori elevati comportano anche un gran numero di spire in rame incrementando il peso delle perdite associate al conduttore. Vi sono dunque esigenze opposte e questo si traduce in un range ideale di valori in funzione del tipo specifico di ferrite, le sue misure, il tipo di avvolgimento. Se le ferriti mostrano una ben definita superiorità, specie a frequenze medio-alte, vi è nel contempo da osservare che la loro saturazione avviene bruscamente (hard) comportando una netta diminuzione nel valore effettivo dell'induttanza quando la corrente che vi circola supera una determinata soglia. I nuclei in polvere di ferro invece, poc'anzi posti in evidenza perchè di minori prestazioni sotto il profilo energetico, consentono una maggiore libertà al progettista poichè possono venire costruiti con uno spazio di intersezione vuoto (gap) che permette di gestire elevati flussi magnetici con una saturazione graduale (soft) che determina una lenta diminuzione nel valore effettivo nell'induttanza quando la corrente che vi circola supera una determinata soglia. Come si vede ogni materiale presenta pro e contro. A prescindere dalle considerazioni su costi ed ingombri, legate non solo al progetto ma anche all'applicazione, è utile visualizzare concretamente le differenze tra materiali tramite un grafico.

Relazione tra induttanza e corrente per diversi materiali

Figura 3: Relazione tra induttanza e corrente per diversi materiali

Come si nota i nuclei in ferrite per usi generici hanno un rateo nella diminuzione dell'induttanza piuttosto accentuato. Le ferriti specifiche per circuiti DC/DC come ad esempio la molypermalloy d'altro canto offrono un compromesso tra resa energetica ed una contemporanea entrata soft nella regione di saturazione. I nuclei in polvere di ferro presentano comunque sempre prestazioni migliori per quanto concerne il fattore qui discusso. E' interessante porre in evidenza che in termini generali i componenti in ferrite realizzati specificatamente per i converter presentano un punto di saturazione a circa 1,4 volte il valore di corrente massima nominale. Solitamente si assume la corrente di saturazione Isat il livello che porta ad una riduzione nell'induttanza del 10%. Questa relazione è naturalmente di massima ma diviene utile quando si impiegano componenti che non presentano nei data-sheets i parametri in forma dettagliata, in tal modo un induttore di potenza per 2 Ampere max da 10 uH lo si può stimare per una corrente di 2,8 Ampere con un valore effettivo di 9 uH.

Il fenomeno della saturazione incide in modo diverso a seconda del valore istantaneo della corrente e della ripidità della sua variazione. Prendiamo ad esempio una forma d'onda triangolare sovrapposta ad una componente continua come nella curva di colore nero nel grafico di figura 4. Se l'induttore fosse ideale la corrente andrebbe da un minimo di 4 a ad un massimo di 7 Ampere, od altri valori arbitrali naturalmente. Poichè l'induttanza diminuisce nel dispositivo reale all'orquando la corrente cresce la reattanza effettiva cala in proporzione, di riflesso la forma d'onda si distorce con l'apparire di un picco con ripida pendenza. La curva di colore blu nella medesima figura evidenzia il comportamento descritto.

Extracorrente nell'induttore a causa della saturazione nel nucleo

Figura 4: Extracorrente nell'induttore a causa della saturazione nel nucleo

In un progetto switching le sovracorrenti nell'induttore sono un inconveniente serio. Picchi di corrente portano ad una modifica delle dinamiche operative, ciò altera la stabilità del converter ed in alcuni casi porta le grandezze elettriche oltre i limiti di sicurezza. In tal caso sono possibili danni ai componenti od al circuito.

RDC, la resistenza dell'avvolgimento :

Si tratta della massima resistenza in continua dell'induttore misurata, tipicamente, alla temperatura ambiente di +20°C. Questa resistenza causa una dissipazione di potenza indesiderata sul componente, una condizione che va minimizzata per quanto possibile. Per questa ragione si preferisce, compatibilmente con le richieste del progetto, scegliere un induttore con la più bassa resistenza possibile. Ma bassa resistenza implica una maggiore sezione del filo in rame degli avvolgimenti, dunque un peso ed ingombro maggiore così come il costo. La resistenza varia con la temperatura essendo legata alle caratteristiche del conduttore ovvero del rame che ne è il materiale primario. Il coefficiente termico vale circa lo 0.4% per ogni grado, un aspetto da considerare se il circuito verrà sottoposto a significative escursioni termiche. Poniamo in tabella un semplice esempio con Rdc nominale di 0.05 Ω.

Rdc @ 20°CRdc @ 40°CRdc @ 60°CRdc @ 80°C
0.05 Ω0.054 Ω0.058 Ω0.062 Ω

Le variazioni in termini assoluti non sembrano significative ma a ben guardare il cambiamento in percentuale non è trascurabile, se il progetto che state sviluppando è ottimizzato per un'alta efficienza domestica si richiederà una attenta valutazione di questo parametro.

FRES, la frequenza di auto-risonanza :

Ogni componente magnetico presenta un comportamento all'innalzarsi della frequenza che si discosta da quello di una pura reattanza induttiva. Nella continua infatti è predominante, per definizione, la resistenza Rdc. Dal lato opposto la presenza di una parte capacitiva parassita distribuita lungo l'avvolgimento porta a fenomeni di risonanza parallelo con l'innalzarsi dell'impedenza come vista ai terminali dell'induttore. Nei circuiti switching la reale natura del componente andrebbe sempre considerata, ciò trova maggiore rilevanza negli alimentatori che funzionano ad elevate frequenze di commutazione o nei quali la massimizzazione del rendimento è un obiettivo primario nel progetto. Nei sistemi che gestiscono grandi potenze e/o correnti selezionare il componente ideale è talvolta un passo delicato. Oltre alla capacità intrinseca all'induttore va inoltre rammentato che il layout di montaggio, le connessioni, le tracce sullo stampato, aggiungono ulteriore capacità parassita che abbassa la risonanza. Prendiamo ad esempio un componente da 100 uH realizzato specificamente per reti switching ad alta frequenza presentando una risonanza garantita > 5 MHz, dalle equazioni (pagina in allestimento, ndr) ricaviamo che la capacità parallelo è pertanto di circa 10 pF. Qualora male posizionato in una scheda, per seguire altre priorità come la riduzione dell'ingombro complessivo, vengono ad aggiungersi poniamo altri 25 pF che portano la risonanza nell'ordine di 2,6 MHz. Una perdita di prestazioni da non sottovalutare e che pone degli inconvenienti in applicazioni dove la frequenza di commutazione supera il MHz.


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