EPCOS / TDK Gekoppelte Induktivitäten

DC/DC-Wandlertopologien

Es folgt ein Überblick über fünf Arten von DC/DC-Wandlertopologien.

Ein SEPIC-Wandler (Single-Ended Primary Inductance Converter, SEPIC) eignet sich hervorragend für batteriebetriebene Geräte und Fahrzeuganwendungen. Diese Wandler bieten eine konstante, nicht-invertierte Ausgangsspannung, die größer oder kleiner als die Eingangsspannung sein kann, wodurch die Batteriespannung variieren kann und verschiedene Lastszenarien kompensiert werden können. Dies ist möglich, da bei der SEPIC-Technologie ein Abwärts- und Aufwärtswandler kombiniert werden. Ein weiterer Vorteil dieser Schaltungstopologie ist ein konstanter Eingangsstrom, der in Kombination mit dem Eingangsfilter, der aus C1 und L1 besteht, zu einer deutlich niedrigeren leitungsgebundenen Störung führt. Die Verwendung einer gekoppelten Induktivität kann die Stromwelligkeit der Last und die Core-Verluste reduzieren. Obwohl die Kopplungskondensator C₂ eine gewisse Isolierung zwischen Eingang und Ausgang bietet, ist SEPIC eine der nicht isolierten Topologien.

ZETA ist eine mehrfach gewickelte Wandlertopologie, die im Wesentlichen ähnliche Funktionen wie SEPIC bietet. Beide Leistungswandler sind in der Lage, den Eingangsspannungs-Schritt zu erhöhen und zu verringern und eine stabile nicht-invertierende Ausgangsspannung zu erzeugen. Eine weitere Gemeinsamkeit ist die DC-Übertragungsfunktion V_OUT = V_IN x D/(1-D). Aufgrund der leicht geänderten Schaltungskonfiguration mit L₂ und C₃ am Ausgang bieten die ZETA-Wandler einen kontinuierlichen Ausgangsstrom mit geringer Welligkeit. IIm Gegensatz zu einem echten Abwärtswandler benötigen die ZETA-Wandler nur einen Abwärtsregler-IC, der einen MOSFET direkt ansteuert. Der Ausgang ist nicht vom Eingang isoliert.

Wie die SEPIC- und ZETA-Topologien können die Ćuk-Wandler eine Spannung regulieren, die oberhalb oder unterhalb der Eingangsspannung liegt. Eine besondere Funktion, die von einigen Applikationen benötigt wird, ist eine invertierte Ausgangsspannung. Ein weiterer Vorteil aus EMI-Sicht ist ein Dauerstromfluss in Kombination mit LC-Filtern auf der Eingangs- und Ausgangsseite des Wandlers. Dies bietet eine stabile Stromentladung von der Batterie, während gleichzeitig die Stromwelligkeit erheblich reduziert wird. Der Ausgang ist nicht vom Eingang isoliert.

Sperrwandler sind eine der am häufigsten verwendeten Topologien in der Industrieelektronik und in stromsparenden Fahrzeuganwendungen. Diese Wandler bieten ein relativ einfaches und kostengünstiges Design dieser Schaltungstopologie, die nur wenige Bauelemente benötigt. Die gekoppelte Induktivität dient als Speicherdrossel und bietet auch eine galvanische Trennung zwischen Eingang und Ausgang. Die Energieübertragung erfolgt während der Ausschaltzeit des MOSFETs. Die Topologie kann nicht-Invertierte Ausgangsspannungen weit unterhalb oder oberhalb der Eingangsspannung erzeugen. Je nach den Isolationsanforderungen des Wandlers oder den Sicherheitsstandards der Applikation kann entweder ein Transformator oder eine gekoppelte Induktivität mit einer funktionalen Isolierung von bis zu 500 V verwendet werden. Sperrwandler bieten auch die Möglichkeit, mehrere Ausgangsspannungen zu erzeugen. Der Nachteil dieser Topologie sind Hochspannungsspannungsspitzen, die vom Schalttransistor erzeugt werden. Ein EMV-Filter ist möglicherweise am Eingang des Wandlers erforderlich, um diese leitungsgeführte Störung zu unterdrücken.

Gekoppelte Induktivitäten können auch verwendet werden, um eine Hilfsspannung bzw. eine zweite Ausgangsspannung zu erzeugen, indem nur ein einzelner Abwärtsregler verwendet wird. Dies kann dazu beitragen, die Komplexität der Schaltungen zu vereinfachen, um Kosten und Boardplatz zu sparen.

Häufig gestellte Fragen

Was ist eine gekoppelte Induktivität?
Induktivitäten spielen eine Schlüsselrolle in Mehrphasen-Topologien. Während grundsätzlich diskrete Induktivitäten verwendet werden können, können gekoppelte Induktivitäten dazu beitragen, das Volumen erheblich zu senken und den Wirkungsgrad der Schaltung zu verbessern. In einer gekoppelten Induktivität werden zwei Wicklungen auf einen gemeinsamen Kern gewickelt. Daher sind L1 und L2 magnetisch gekoppelt, was die Übertragung der im Kern gespeicherten Energie zwischen beiden Spulen ermöglicht. Der Wirkungsgrad der magnetischen Kopplung zwischen der Primär- und der Sekundärspule wird durch den Kopplungsfaktor K definiert.

Was ist der Vorteil einer gekoppelten Induktivität?
Induktivitäten sind die Schlüssel-Bauelemente von mehrphasigen Spannungsreglern wie SEPIC-, ZETA- und Ćuk-Wandlern. Es ist nicht erforderlich, gekoppelte Induktivitäten zu verwenden. Stattdessen können zwei einzelne Induktivitäten verwendet werden. Wenn jedoch L1 und L2 eng gekoppelt sind, wird die Stromwelligkeit zwischen ihnen aufgeteilt. Daher beträgt der erforderliche Induktivitätswert nur die Hälfte. Wenn eine Dual-Induktivität anstelle von zwei einzelnen Leistungsinduktivitäten verwendet wird, kann ein potenziell kleineres Bauteil eingesetzt werden, wodurch wichtiger Platz auf der Leiterplatte eingespart wird.

Wie hoch ist der Kopplungskoeffizient und wie wird er berechnet?
Gekoppelte Induktivitäten werden in DC/DC-Wandlertopologien verwendet. Die Funktion von gekoppelten Induktivitäten besteht darin, Energie von der Primärwicklung auf die Sekundärspule über einen allgemein verwendeten Core zu übertragen Der Wirkungsgrad der magnetischen Kopplung zwischen den beiden Wicklungen wird durch den Kopplungsfaktor K definiert. Der Kopplungskoeffizient K kann anhand der folgenden Gleichung berechnet werden.

Muster-Kits

Diese Kits verfügen über SMT-Leistungsinduktivitäten, die eine spezielle Wicklungstechnologie für eine enge Kopplung der zwei Wicklungen verwenden. Die Induktivitäten sind magnetisch abgeschirmt.

Musterkits anzeigen:
Baureihe B82472D6 - LR von 3,9 µH bis 47 µH
B82477D4*M900-Baureihe - LR von 4,7 µH bis 47 µH
B82477D6-Baureihe - LR von 3,9 µH bis 47 µH