SMPS에서 회로 내 인덕터 및 변압기 측정 수행

작성자:Wilson Lee, Tektronix의 기술 마케팅 관리자

인덕터와 변압기는 스위치 모드 전원 공급 장치에서 중요한 역할을 합니다. 예상대로 작동하는지 확인하려면 작동 조건에서 수행되는 철저한 회로 내 측정이 필요합니다. 다음은 알아야 할 사항입니다.

스위치 모드 전원 공급 장치(SMPS)에서 자기 부품, 즉 인덕터 및 변압기는 중요한 역할을 합니다. SMPS 설계 프로세스의 대부분은 구성 요소 사양 및 시뮬레이션 모델에 의존합니다. 그러나 실제 신호 조건, 기생, 온도 및 자기 부품의 성능에 영향을 미치는 기타 환경 요인으로 인해 전원 공급 장치가 사양 및 시뮬레이션에서 예측한 대로 정확하게 작동하지 않을 수 있습니다. 결과적으로 작동 조건에서 인덕터 및 변압기의 회로 내 측정은 안정적인 실제 성능을 보장하는 데 매우 중요합니다.

올바른 도구를 사용하면 이러한 측정을 수행하는 것이 어렵거나 시간이 많이 걸리지 않아도 됩니다. 먼저 인덕터 및 변압기의 기본 이론, 특히 회로 내 측정과 관련된 기본 이론을 검토합니다. 그런 다음 전원 공급 장치 작동 중에 오실로스코프와 프로브를 사용하는 방법을 살펴보고 성능 통찰력을 얻기 위해 유도 측정 및 B-H 곡선의 사용을 살펴보겠습니다.

인덕터 이론

패러데이 법칙과 렌츠 법칙에 따르면 인덕터를 통과하는 전류와 인덕터 양단의 전압은 다음과 같이 관련됩니다.

이것은 인덕턴스가 변화하는 전류가 반대 전압을 초래하는 정도로 생각할 수 있음을 보여줍니다. 기호를 통합, 재배열 및 무시함으로써 다음을 얻을 수 있습니다.

이것은 인덕턴스가 시간에 따른 전압 및 전류의 함수로 결정될 수 있음을 나타냅니다. 이러한 시간 영역 측정은 전압 프로브, 전류 프로브 및 통합을 수행하고 X 대 Y를 플롯하는 기능이 장착된 오실로스코프를 사용하여 가장 잘 수행됩니다.

이론상 인덕터와 달리 실제 인덕터의 인덕턴스 값은 전류 레벨, 온도 및 작동 주파수에 따라 달라집니다. 전원 공급 장치에서 이러한 특성은 작동 조건에 따라 실시간으로 변합니다.

1. 기본 인덕터는 닫힌 강자성 코어에 감긴 코일입니다. I 암페어의 전류는 N 권선이 있는 코일을 통해 흐릅니다. 코일의 인덕턴스는 코일에 흐르는 전류와 자속 사이의 관계를 나타냅니다.

예를 들어 그림 1의 토로이드 인덕턴스는 다음과 같이 근사할 수 있습니다.

여기서 μ는 코어의 투자율입니다. N은 토로이드의 와이어 권수입니다. r은 점선 중심선으로부터 코어의 반경(cm)입니다. A는 코어의 단면적(cm ² )입니다. (토로이드의 반경에 비해 작은 것으로 가정).

이 회전 수는 제곱이므로 인덕턴스에 가장 큰 기여를 합니다. 또한, 핵심 재료의 투과성이 중요한 역할을 합니다. 그러나 인덕턴스 값은 부품의 물리적 크기와도 관련이 있습니다. 인덕터의 크기를 최소화하기 위해 전자 제품의 대부분의 인덕터는 공기보다 투자율이 훨씬 높은 코어 재료를 사용합니다.

요컨대, 코어 재료 및 형상의 특성은 다양한 작동 조건에서의 인덕턴스와 장치의 전력 손실을 결정하는 데 중요합니다.

인덕턴스 측정

전원 공급 장치 설계자는 일반적으로 시뮬레이션 기술을 사용하여 설계에 적합한 인덕터 값을 결정합니다. 인덕터를 제조한 후 LCR 미터를 사용하여 인덕턴스를 확인하는 것이 일반적입니다. 그러나 대부분의 LCR 미터는 좁은 주파수 범위에서 정현파로 구성 요소를 자극하므로 구성 요소가 대략 올바른 값인지 확인하는 데는 좋은 기술이지만 회로 내 성능에 대한 예측은 좋지 않습니다.

인덕터의 인덕턴스 특성은 전류 및 전압 소스 여기 신호, 파형 및 작동 주파수에 따라 달라지며 실시간 작동 조건에서 달라질 수 있습니다. 따라서 전원 공급 장치의 동적으로 변화하는 환경에서 인덕터의 동작을 측정하고 관찰하는 것이 중요합니다.

이러한 측정은 일반적으로 차동 전압 프로브를 사용하여 장치 전체의 전압을 프로빙하여 수행됩니다. 전류 프로브는 일반적으로 자기 부품을 통과하는 전류를 측정하는 데 사용됩니다. 인덕턴스를 결정하기 위해 스코프 기반 전력 분석 소프트웨어는 시간에 따른 전압을 통합하고 전류 변화로 나눕니다. 또한 모든 dc 오프셋을 제거하고 평균을 사용하여 인덕턴스 값을 계산합니다.

변압기의 인덕턴스를 측정할 때 2차 권선에 부하가 걸리지 않도록 하는 것이 중요합니다. 무부하 조건에서 1차 권선의 인덕턴스를 측정하는 것은 단일 권선 인덕터의 인덕턴스를 측정하는 것과 같습니다. 동일한 코어에 여러 권선이 있는 결합된 인덕터의 인덕턴스를 측정할 때 인덕턴스의 측정값은 다른 권선에 대한 전류의 영향으로 인해 실제 값에서 벗어납니다.

그림 2에서 , 인덕턴스 측정은 헨리 단위의 평균 인덕턴스 값을 제공합니다. 노란색 파형(CH1)은 인덕터 양단의 전압이고 파란색 파형(CH2)은 인덕터를 통과하는 전류입니다. 왼쪽의 플롯은 전류, i 대 ∫vdt, 기울기가 인덕턴스임을 보여줍니다.

2. 헨리의 평균 인덕턴스 값입니다.

그림 3 인덕터 성능에 대한 추가 통찰력을 제공하는 I 대 ∫V 측정을 보여줍니다. 여기에서 여러 사이클에 걸쳐 축적되는 모든 dc 바이어스를 볼 수 있습니다. 노란색 파형(CH1)은 인덕터 양단의 전압이고 파란색 파형(CH2)은 인덕터를 통과하는 전류입니다.

3. 이것은 인덕터 성능에 대한 추가적인 통찰력을 제공하는 I 대 ∫V 측정을 보여줍니다. 여기에서 여러 사이클에 걸쳐 축적되는 모든 dc 바이어스를 볼 수 있습니다. 노란색 파형(CH1)은 인덕터 양단의 전압이고 파란색 파형(CH2)은 인덕터를 통과하는 전류입니다.

B-H 곡선 측정

자기 전원 공급 장치 구성 요소는 예상 작동 전압, 전류, 토폴로지 및 특정 유형의 전력 변환기용으로 설계되었습니다. 인덕터와 변압기의 작동 영역은 SMPS의 안정성을 결정하는 데 도움이 됩니다. 그러나 전원 공급 장치 작동 특성은 전원 켜기, 정상 상태 작동, 부하 변경 및 환경 변화 중에 달라질 수 있으므로 설계 과정에서 가능한 모든 시나리오를 고려하기가 극히 어렵습니다.

전원 공급 장치의 안정성을 보장하려면 SMPS에서 자기 부품의 작동 영역을 특성화하는 것이 중요합니다. 일반적으로 목표는 포화를 피하고 히스테리시스 곡선의 선형 영역에서 작동하는 것입니다. 그러나 자기 부품을 설계하고 모든 조건에서 선형 영역에서 작동하도록 하는 것은 매우 어렵습니다.

4. 핵심 재료 제조업체는 사양의 일부로 이러한 히스테리시스 곡선을 제공할 수 있습니다.

그림 4에 표시된 것과 같은 B-H 곡선 설계자가 인덕터와 그 코어의 성능을 시각화할 수 있도록 도와줍니다. 이 예에서 A/m으로 측정된 H는 장치의 자화력입니다. 암페어/미터로 측정되며 전류에 비례합니다.

결과적인 자속 밀도 B는 장치 양단의 전압 적분에 비례합니다. Tesla 단위로 측정된 자속 밀도 B는 자기장의 강도입니다. 자기장에 의해 움직이는 전하에 가해지는 힘을 결정합니다.

이 곡선은 다음을 포함하여 여러 가지 중요한 통찰력을 제공합니다.

<울>

투과성, µ. H/m 단위로 측정됩니다. 이것은 심재의 특성으로 자력 H(전류에 의해 구동)가 자속밀도 B(적분전압)를 생성하는 비율입니다. B-H 곡선의 기울기입니다. 설계자는 고투자율 재료를 사용하여 물리적으로 더 작은 인덕터와 변압기를 구현합니다.

포화 자속 밀도. 추가 자화력 H가 증분 자속 밀도 생성을 중지하는 지점 B. 설계자는 대부분의 전원 공급 장치 애플리케이션에서 포화를 피합니다.

히스테리시스 특성. 히스테리시스는 곡선의 "폭"이며 전원 공급 장치의 손실을 나타냅니다. 대부분의 설계는 자력 H가 0으로 떨어진 후 재료에 남아 있는 자속 밀도인 잔류 Br을 최소화하기 위해 자기적으로 "부드러운" 코어 재료를 사용하고 보자력 또는 보자력 c, 구동에 필요한 H 값을 최소화합니다. 자속 밀도 B를 0으로 설정합니다.

잠재적인 불안정성의 징후는 다음과 같습니다.

<울>

코어 데이터시트에 지정된 포화 자속 밀도에 가까운 측정된 피크 자속 밀도는 구성요소가 포화에 가까워지고 있음을 나타냅니다.

주기마다 변화하는 BH 곡선은 포화 상태를 나타냅니다. 안정적이고 효율적인 전원 공급 장치에서 BH 곡선은 대칭적인 복귀 경로를 가지며 이 경로를 일관되게 추적합니다.

오실로스코프를 사용하여 인덕터 권선에 흐르는 전압과 전류를 회로 내 측정할 수 있습니다. 디바이스의 턴 수, 디바이스의 자기 길이, 코어의 단면적을 감안할 때 오실로스코프를 사용하여 실시간 전압 및 전류 측정을 기반으로 실제 B 및 H 값을 도출할 수 있습니다.

B-H 플롯을 생성하려면 자기 소자의 전압과 이를 통해 흐르는 전류를 측정해야 합니다. 변압기의 경우 1차 권선과 2차 권선을 통과하는 전류가 중요합니다. 고전압 차동 프로브는 인덕터 또는 변압기의 1차 권선에 걸쳐 연결됩니다. 전류 프로브는 인덕터 또는 1차측을 통해 전류를 측정합니다. 전류 프로브는 필요한 경우 2차 권선을 통과하는 전류를 측정하는 데도 사용됩니다.

그림 5 다중 2차 권선 변압기의 자기 측정값을 보여줍니다. Ref1(흰색) 파형은 인덕터 양단의 전압이고 Ref 2(파란색) 파형은 인덕터 전류입니다. 이 경우 스코프가 여러 2차 권선을 테스트하도록 설정되었기 때문에 결과 전류 wfm인 수학 wfm(주황색)이 표시됩니다.

<엠>5. 여러 2차 권선 변압기의 자기 측정값을 보여줍니다.

변압기에 대한 B-H 곡선

작동 조건에서 변압기의 자기 특성을 측정하려면 2차측으로 전달되는 전류를 고려해야 합니다. 변압기의 B-H 곡선을 측정할 때 "자화 인덕터"라는 이론적인 요소를 고려하는 것이 좋습니다.

자화 전류는 2차측이 개방(무부하)될 때 변압기의 1차측을 통해 흐르는 전류입니다. 즉, 자화 전류는 2차측에서 전류를 생성하지 않습니다. 그림 6과 같이 , 변압기는 1차측을 가로질러 "자화 인덕터"를 통해 흐르는 이 자화 전류로 모델링됩니다. 일반적으로 코어 재료의 자화 특성을 모델링하는 데 사용됩니다.

6. 이 변압기 회로도(왼쪽)와 등가 회로(오른쪽)에서 자화 전류는 1차측과 병렬로 가상 인덕터 LM을 통해 흐릅니다. LM은 변압기의 자기 특성을 모델링합니다.

손실 분석

자기 부품의 손실은 전원 공급 장치의 전체 손실에 크게 기여합니다. 코어 손실은 재료의 자기 특성에 따라 달라지며 히스테리시스 손실과 와전류 손실을 포함합니다. 구리 손실은 권선의 저항으로 인해 발생합니다. 또한 변압기의 2차측에 연결된 부하에 따라 다릅니다.

코어 손실을 추정하기 위해 여러 기술이 사용됩니다. 또 다른 인기 있는 기술은 코어 손실을 주파수 및 자속 밀도와 관련시키는 Steinmetz 실험 공식입니다.

여기서 k, b는 코어 재료에 대한 상수이며 일반적으로 코어 제조업체의 데이터시트에서 가져옵니다. 데이터시트는 또한 사인파 여기에 대한 응답으로 일반적으로 제공되는 다양한 주파수 및 자속 밀도에서 손실 추정치를 제공할 수 있습니다. 그러나 전력 애플리케이션에서 구성 요소는 일반적으로 비정현파 자극으로 구동되므로 이러한 근사치에서 불확실성이 발생합니다. (그림 7) .

7. 총 자기 손실 측정의 예.

스코프 소프트웨어를 사용하여 전압 및 전류 파형의 전력, 평균(v(t) ∙ i(t))을 평균화하여 총 자기 손실을 계산할 수 있습니다. 이 방법을 사용하면 총 자기 손실에는 동손과 철손이 모두 포함됩니다. 이것은 그림 7에 나와 있으며, 여기서 자기 손실 측정은 코어 및 구리 손실을 포함한 총 자기 손실을 제공합니다. 부품 제조업체의 데이터시트에서 철손을 찾고 총 자기 손실에서 철손을 빼서 동손을 도출할 수 있습니다.

스코프는 단일 권선 인덕터, 다중 권선 인덕터 또는 변압기의 자기 손실을 계산할 수 있습니다. 단일 권선 변압기의 경우 차동 프로브가 연결되어 1차 권선의 전압을 측정합니다. 전류 프로브는 변압기를 통해 전류를 측정합니다. 그러면 전력 측정 소프트웨어가 자기 전력 손실을 자동으로 계산할 수 있습니다.

인덕터와 변압기는 필터, 승압/강압, 절연, 에너지 저장 및 발진을 포함하여 스위치 모드 전원 공급 장치에서 중요한 역할을 합니다. 예상대로 작동하는지 확인하려면 작동 조건에서 수행되는 철저한 회로 내 측정이 필요합니다. 논의한 바와 같이 전력 분석 소프트웨어가 장착된 최신 오실로스코프는 빠른 설정과 향상된 반복성을 제공합니다.