Induktorji so temeljne magnetne komponente, ki se pogosto uporabljajo v stikalnih napajalnikih in sistemih za pretvorbo moči. Njihova glavna vloga je pretvarjanje električne energije v magnetno energijo, njeno shranjevanje in sproščanje, ko je to potrebno. Čeprav imajo induktorji strukturne podobnosti s transformatorji, običajno uporabljajo eno navitje in delujejo s preprostejšim mehanizmom.
Pri pretvornikih-DC{1}}DC ojačevalnega tipa so značilnosti shranjevanja in sproščanja induktorja temelj dviga napetosti. Ta članek zagotavlja inženirsko-usmerjeno analizo načel delovanja za ojačevalnimi pretvorniki-na osnovi induktorja, s poudarkom na pretvorbi elektromagnetne energije, obnašanju napetosti med preklopnimi operacijami in omejitvah magnetne nasičenosti.
1. Pretvorba elektromagnetne energije v induktorjih
Obnašanje induktorja je mogoče povzeti z dvema bistvenima mehanizmoma:
• Električna-v-magnetna pretvorba (energijska faza)
Ko tok teče skozi navitje, nastane magnetno polje, ki shranjuje energijo v jedru.
• Magnetna-pretvorba-električne (de-faza izklopa)
Ko se tok nenadoma prekine, magnetno polje, ki se sesede, prisili shranjeno energijo nazaj v električno obliko.
Ta dva mehanizma urejata delovanje induktorja v vseh topologijah pospeševanja. Pojav je enostavno ponazoriti s pregledom preproste tuljave pod napetostjo, kot je prikazano spodaj.
2. Dvig napetosti med-intervalom izklopa
Ko se tokovna pot odpre, mora induktor ohraniti kontinuiteto toka. Če ni poti razelektritve, napetost na induktorju močno naraste-, omejena le z razpadom izolacije. Ta učinek zagotavlja induktorjem njihovo intrinzično sposobnost ojačevanja in pojasnjuje obrat polarnosti, opažen med kolapsom magnetnega polja.
Naslednja slika prikazuje to vedenje v trenutku izklopa napajanja.
3. Osnovna ojačevalna in negativna{1}}vezja za generiranje napetosti
Z občasnim preklapljanjem induktorja skozi intervale vklopa in izklopa-energije se oblikuje osnovna struktura ojačevalne pretvorbe:
• VKLOPLJENA faza: induktor shranjuje magnetno energijo.
• OFF faza: induktor sprosti energijo skozi diodo, ki proizvaja napetost, ki je višja od vhodne napetosti.
Če obrnete smer usmernika, nastane negativna-napetost. Ta minimalna vezja so temelj sodobnih preklopnih topologij, vključno z Boost, Buck-Boost, SEPIC in Flyback.
Naslednji diagrami prikazujejo minimalne strukture generatorja pozitivne in negativne napetosti.
4. Praktična izvedba z uporabo polprevodniških stikal
V praktični močnostni elektroniki so mehanska stikala nadomeščena s polprevodniškimi napravami, kot so MOSFET in BJT. To omogoča visoko{1}}frekvenčno preklapljanje, hkrati pa ohranja isto osnovno fiziko-prenosa energije. Spodnji poenostavljeni diagrami prikazujejo ta razvoj.
5. Magnetna nasičenost: meja delovanja
Zmogljivost induktorja za shranjevanje energije je omejena z materialom magnetnega jedra. Do nasičenja pride, ko jedro doseže največjo gostoto pretoka, kar povzroči naslednje:
• Hiter upad induktivnosti
• Močno povečanje toka
• Večje izgube bakra in jedra
• Morebitna okvara toplotne-naprave in stikalne naprave
Da bi se izognili nasičenosti, je treba izbrati ustrezne materiale jedra, nadzorovati valovitost toka in določiti primerne delovne frekvence.
Obnašanje ojačevalnega pretvornika v osnovi narekuje pretvorba elektromagnetne energije znotraj induktorja. Razumevanje teh načel omogoča inženirjem, da razširijo koncepte na bolj zapletene arhitekture pretvornikov in optimizirajo izbiro magnetnih komponent za-dejanske načrte.
