SMPSにおける誘導コイルの役割

スイッチモードコンバータまたはSMPSの最も重要な要素はインダクタです。

エネルギーは、短いオン期間（t）の間、インダクタのコア材料に磁場の形で蓄積されます。_オン）MOSFETやBJTなどの接続されたスイッチング素子を介してスイッチングされます。

SMPSでのインダクタのしくみ

このオン期間中、電圧VがインダクタLの両端に印加され、インダクタを流れる電流は時間とともに変化します。

この電流変化はインダクタンスによって「制限」されるため、SMPSインダクタの別名として通常使用される関連用語のチョークが見つかります。これは次の式で数学的に表されます。

di / dt = V / L

スイッチがオフになると、インダクタに蓄積されたエネルギーが解放されるか、「キックバック」されます。

巻線間に発生した磁場は、磁場を保持するための電流または電圧がないために崩壊します。この時点での崩壊フィールドは、巻線を鋭く「カット」します。これにより、最初に印加されたスイッチング電圧とは逆の極性を持つ逆電圧が生成されます。

この電圧により、電流は同じ方向に移動します。したがって、インダクタ巻線の入力と出力の間でエネルギー交換が発生します。

上で説明した方法でインダクタを実装することは、レンツの法則の主要な適用として見ることができます。一方、最初は、コンデンサのようにインダクタ内に「無限に」エネルギーを蓄えることはできないようです。

超電導線を使用して構築されたインダクタを想像してみてください。スイッチング電位で「充電」されると、蓄積されたエネルギーは磁場の形で永久に保持される可能性があります。

ただし、このエネルギーをすばやく抽出することは、まったく別の問題になる可能性があります。インダクタ内に閉じ込められる可能性のあるエネルギーの量は、インダクタのコア材料の飽和磁束密度Bmaxによって制限されます。

この材料は通常フェライトです。インダクタが飽和状態に達すると、コア材料はそれ以上磁化される能力を失います。

材料内のすべての磁気双極子が整列するため、材料内の磁場としてエネルギーを蓄積することができなくなります。材料の飽和磁束密度は、一般にコア温度の変化の影響を受けます。コア温度は、25°Cでの元の値よりも100°Cで50％低下する可能性があります。

正確には、SMPSインダクタコアの飽和が妨げられない場合、誘導効果のために流れる電流が制御されなくなる傾向があります。

これは、巻線の抵抗とソース電源が供給できる電流の量によってのみ制限されます。状況は一般に、コアの飽和を防ぐために適切に制限されたスイッチング素子の最大オン時間によって制御されます。

インダクタの電圧と電流の計算

したがって、飽和点を制御および最適化するために、インダクタ両端の電流と電圧がすべてのSMPS設計で適切に計算されます。 SMPS設計の重要な要素となるのは、時間の経過に伴う現在の変化です。これは次のように与えられます：

i =（Vin / L）t_オン

上記の式は、インダクタと直列のゼロ抵抗を考慮しています。ただし、実際には、スイッチング素子、インダクタ、およびPCBトラックに関連する抵抗はすべて、インダクタを流れる最大電流を制限するのに役立ちます。

これを合計1オームの抵抗と仮定しましょう。これはかなり合理的と思われます。

したがって、インダクタを流れる電流は次のように解釈できます。

i =（V_に/ R）x（1-e^{-t_オンR / L}）

コア飽和グラフ

以下のグラフを参照すると、最初のグラフは、直列抵抗がない場合と、1オームが直列に挿入されている場合の10 µHインダクタを流れる電流の違いを示しています。

使用される電圧は10Vです。直列の「制限」抵抗がない場合、電流が無限の時間枠にわたって急速かつ継続的にサージする可能性があります。

明らかに、これは実行可能ではないかもしれませんが、レポートは、インダクタの電流がすぐに実質的で潜在的に危険な大きさに達する可能性があることを強調しています。この式は、インダクタが飽和点を下回っている限り有効です。

インダクタコアが飽和に達するとすぐに、誘導性濃度は電流上昇を最適化できなくなります。したがって、電流は非常に速く上昇し、方程式の予測範囲を超えています。飽和中、電流は通常、直列抵抗と印加電圧によって確立される値に制限されます。

インダクタが小さい場合、インダクタを流れる電流の増加は非常に速いですが、規定の時間枠内でかなりのレベルのエネルギーを保持できます。逆に、インダクタの値が大きいほど、電流の上昇が遅くなる可能性がありますが、これらは同じ規定時間内に高レベルのエネルギーを保持することができません。

この効果は、2番目と3番目のグラフで確認できます。前者は、10V電源を使用した場合の10 µH、100 µH、および1mHインダクタの電流の増加を示しています。

グラフ3は、同じ値のインダクタについて時間の経過とともに蓄積されるエネルギーを示しています。

4番目のグラフでは、10 Vを印加することにより、同じインダクタを流れる電流の上昇を確認できますが、インダクタと直列に1オームの直列抵抗が挿入されています。

5番目のグラフは、まったく同じインダクターに蓄積されたエネルギーを示しています。

ここで、10 µHインダクタを流れるこの電流は、約50ミリ秒で最大値10Aに向かって急速に急上昇することがわかります。ただし、1オームの抵抗の結果として、500ミリジュール近くしか保持できません。

そうは言っても、100 µHと1 mHのインダクタを流れる電流は上昇し、蓄積されたエネルギーは、同じ時間にわたって直列抵抗の影響をかなり受けない傾向があります。