SMPSでの回路内インダクタおよびトランス測定の実行

Tektronixのテクニカルマーケティングマネージャー、WilsonLeeによる。

インダクタとトランスは、スイッチモード電源で重要な役割を果たします。それらが期待どおりに機能することを保証するには、動作条件下で実行される徹底的な回路内測定が必要です。知っておくべきことは次のとおりです。

スイッチモード電源（SMPS）では、磁気コンポーネント、つまりインダクタとトランスが重要な役割を果たします。 SMPS設計プロセスの多くは、コンポーネントの仕様とシミュレーションモデルに依存しています。ただし、実際の信号条件、寄生容量、温度、および磁気コンポーネントのパフォーマンスに影響を与えるその他の環境要因により、電源は仕様およびシミュレーションで予測されたとおりに動作しない場合があります。その結果、動作条件下でのインダクタとトランスの回路内測定は、信頼できる実世界の性能を確保するために重要です。

適切なツールが手元にあれば、これらの測定を行うのは難しくも時間もかかりません。最初に、インダクタとトランスの基本理論を確認します。特に、回路内測定に関連しているためです。次に、電源動作中のオシロスコープとプローブの使用について説明し、パフォーマンスの洞察を得るための誘導測定とB-H曲線の使用について説明します。

インダクタ理論

ファラデーの法則とレンツの法則によると、インダクタを流れる電流とインダクタの両端の電圧は次のように関連しています。

これは、インダクタンスが、電流の変化が反対の電圧をもたらす程度と考えることができることを示しています。記号を統合、再配置、および無視することで、次のことが可能になります。

これは、インダクタンスが時間の経過に伴う電圧と電流の関数として決定される可能性があることを示しています。このような時間領域の測定は、電圧プローブ、電流プローブ、および積分を実行してX対Yをプロットする機能を備えたオシロスコープを使用して行うのが最適です。

理論上のインダクタとは対照的に、実際のインダクタのインダクタンス値は、電流レベル、温度、および動作周波数に依存します。電源では、これらの特性は動作条件によってリアルタイムで変化します。

1。基本的なインダクタは、閉じた強磁性コアに巻かれたコイルです。 Iアンペアの電流がNターンのコイルを流れます。コイルのインダクタンスは、コイルを流れる電流と磁束の関係を表します。

例として、図1 のトロイドのインダクタンス 次のように概算できます：

ここで、µはコアの透磁率です。 Nはトロイドのワイヤの巻数です。 rは、破線の中心線からのコアの半径（cm）です。 Aはコアの断面積（cm ² ）です。 （トロイドの半径に比べて小さいと想定されます。）

この巻数は2乗であるため、インダクタンスの最大の原因です。さらに、コア材料の透磁率が重要な役割を果たします。ただし、インダクタンスの値は、コンポーネントの物理的なサイズにも関係しています。インダクタのサイズを最小限に抑えるために、電子機器のほとんどのインダクタは、空気よりもはるかに高い透磁率を持つコア材料を使用しています。

つまり、コアの材料と形状の特性は、さまざまな動作条件でのインダクタンスと、デバイスの電力損失を決定する上で重要です。

インダクタンス測定

電源の設計者は通常、シミュレーション手法を使用して、設計に適したインダクタ値を決定します。インダクタを製造した後、一般的な方法は、LCRメータを使用してインダクタンスを確認することです。ただし、ほとんどのLCRメータは、狭い周波数範囲で正弦波を使用してコンポーネントを刺激するため、これはコンポーネントがほぼ正しい値であることを確認するための優れた手法ですが、回路内パフォーマンスの予測には不十分です。

インダクタのインダクタンス特性は、電流および電圧源の励起信号、波形、および動作周波数に依存します。これらは、リアルタイムの動作条件で変化する可能性があります。したがって、電源の動的に変化する環境でのインダクタの動作を測定および観察することが重要です。

これらの測定は、通常は差動電圧プローブを使用して、デバイスの両端の電圧をプローブすることによって行われます。電流プローブは通常、磁気コンポーネントを流れる電流を測定するために使用されます。インダクタンスを決定するために、スコープベースの電力分析ソフトウェアは、時間の経過に伴う電圧を統合し、電流の変化で除算します。また、DCオフセットをすべて削除し、平均化を使用してインダクタンス値を計算します。

トランスのインダクタンスを測定するときは、2次巻線に負荷をかけないようにすることが重要です。無負荷状態で一次巻線のインダクタンスを測定することは、単巻線インダクタのインダクタンスを測定することと同じです。同じコアに複数の巻線がある結合インダクタのインダクタンスを測定する場合、他の巻線への電流の影響により、インダクタンスの測定値は実際の値から外れます。

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図2 、インダクタンス測定値は、ヘンリーの平均インダクタンス値を示します。黄色の波形（CH1）はインダクタの両端の電圧であり、青色の波形（CH2）はインダクタを流れる電流です。左側のプロットは、電流、i対∫vdtを示しており、その傾きはインダクタンスです。

2。ヘンリーの平均インダクタンス値。

図3 は、インダクタの性能に関する追加の洞察を提供するI対∫Vの測定値を示しています。ここでは、複数のサイクルにわたって蓄積するDCバイアスを確認できます。黄色の波形（CH1）はインダクタの両端の電圧であり、青色の波形（CH2）はインダクタを流れる電流です。

3。これは、I対∫Vの測定値を示しており、インダクタの性能に関する追加の洞察を提供します。ここでは、複数のサイクルにわたって蓄積するDCバイアスを確認できます。黄色の波形（CH1）はインダクタの両端の電圧であり、青色の波形（CH2）はインダクタを流れる電流です。

B-H曲線の測定

磁気電源コンポーネントは、予想される動作電圧、電流、トポロジー、および特定のタイプの電力変換器用に設計されています。インダクタとトランスの動作領域は、SMPSの安定性を判断するのに役立ちます。ただし、電源の動作特性は、電源投入、定常状態の動作、負荷の変化、および環境の変化の間に変化する可能性があるため、設計プロセス中に考えられるすべてのシナリオを検討することは非常に困難です。

電源の安定性を確保するには、SMPSの磁気コンポーネントの動作領域を特徴づけることが重要です。一般に、目標は飽和を回避し、ヒステリシス曲線の線形領域で動作することです。ただし、磁気コンポーネントを設計し、すべての条件下で線形領域で動作することを保証することは非常に困難です。

4。コア材料のメーカーは、仕様の一部としてこのようなヒステリシス曲線を提供する場合があります。

図4 に示すようなB-H曲線 設計者がインダクタとそのコアの性能を視覚化するのに役立ちます。この例では、A / mで測定されるHは、デバイスの磁化力です。アンペア/メートルで測定され、電流に比例します：

結果として生じる磁束密度Bは、デバイスの両端の電圧の積分に比例します。テスラの単位で測定される磁束密度Bは、磁場の強さです。磁場によって移動電荷に加えられる力を決定します。

この曲線は、次のような多くの重要な洞察を提供します。

• 透過性、µ。 H / mで測定。これはコア材料の特性であり、磁化力H（電流によって駆動される）が磁束密度B（積分電圧）を生成する速度です。 B-Hカーブの傾きです。設計者は、透磁率の高い材料を使用して、物理的に小さいインダクタとトランスを実現します。
• 飽和流束密度。 追加の磁化力Hが増加する磁束密度の生成を停止するポイントB。設計者は、ほとんどの電源アプリケーションで飽和を回避します。
• ヒステリシス特性。 ヒステリシスは曲線の「幅」であり、電源の損失を示します。ほとんどの設計では、磁気的に「柔らかい」コア材料を使用して、磁力Hがゼロに低下して保磁力または保磁力c（駆動に必要なHの値）の後に材料に残る磁束密度である残留磁束密度を最小限に抑えようとしています。磁束密度Bをゼロにします。

潜在的な不安定性の兆候は次のとおりです。

• コアデータシートで指定されている飽和磁束密度に近い測定されたピーク磁束密度は、コンポーネントが飽和に近づいていることを示しています。
• サイクルごとに変化するBH曲線で、飽和を示します。安定した効率的な電源では、BH曲線は対称的なリターンパスを持ち、このパスを一貫してトレースします。

オシロスコープを使用して、インダクタの巻線の両端の電圧と巻線を流れる電流の回路内測定を実行できます。デバイスの巻数、デバイスの磁気長、およびコアの断面積が与えられると、オシロスコープを使用したリアルタイムの電圧および電流測定に基づいて、実際のB値とH値を導き出すことができます。

B-Hプロットを生成するには、磁気要素の両端の電圧とそれを流れる電流を測定する必要があります。変圧器の場合、一次巻線と二次巻線を流れる電流が重要です。変圧器のインダクターまたは一次巻線の両端に高電圧差動プローブが接続されています。電流プローブは、インダクタまたは一次側を流れる電流を測定します。電流プローブは、必要に応じて、2次巻線を流れる電流を測定するためにも使用されます。

図5 は、多二次巻線トランスの磁気測定値を示しています。 Ref1（白）の波形はインダクタの両端の電圧であり、Ref 2（青）の波形はインダクタの電流です。この場合、スコープが複数の2次巻線をテストするように設定されているため、結果の電流wfmである数学wfm（オレンジ）が表示されます。

5。これは、複数の二次巻線変圧器の磁気測定を示しています。

変圧器のB-H曲線

動作条件下でトランスの磁気特性を測定するには、2次側に流れる電流を考慮する必要があります。変圧器のB-H曲線を測定するときは、「磁化インダクタ」と呼ばれる理論上の要素を検討すると便利です。

磁化電流は、二次側が開いている（無負荷の）ときに変圧器の一次側を流れる電流です。言い換えれば、磁化電流は二次側に電流を生成しません。 図6 に示すように 、変圧器は、一次側を横切る「磁化インダクタ」を流れるこの磁化電流でモデル化されています。通常、これはコア材料の磁化特性をモデル化するために使用されます。

6。この変圧器の回路図（左）と等価回路（右）では、磁化電流が一次側と並列に仮想インダクタLMを流れています。 LMは変圧器の磁気特性をモデル化します。

損失分析

磁気部品の損失は、電源の全体的な損失の大きな原因です。コア損失は、材料の磁気特性に依存し、ヒステリシス損失と渦電流損失が含まれます。銅損は巻線の抵抗に起因します。また、変圧器の2次側に接続されている負荷にも依存します。

コア損失を推定するために、いくつかの手法が使用されます。もう1つの一般的な手法は、コア損失を周波数と磁束密度に関連付けるシュタインメッツの実験式です。

ここで、k、a、およびbはコア材料の定数であり、通常はコアメーカーのデータシートから取得されます。データセットは、正弦波励起に応答して通常与えられるさまざまな周波数と磁束密度での損失推定値も与える場合があります。ただし、電力アプリケーションでは、コンポーネントは通常、非正弦波の刺激で駆動されるため、このような近似に不確実性が生じます（図7） 。

7。総磁気損失測定の例。

スコープソフトウェアを使用して、電圧および電流波形の電力を平均することにより、総磁気損失を計算できます。平均（v（t）∙i（t））。この方法では、総磁気損失には銅損とコア損失の両方が含まれます。これを図7に示します。ここで、磁気損失の測定により、コアと銅の損失を含む総磁気損失が得られます。部品メーカーのデータシートからコア損失を見つけ、総磁気損失からコア損失を差し引くことで銅損を導き出すことができます。

スコープは、単巻線インダクタ、多巻線インダクタ、さらにはトランスの磁気損失を計算することができます。単巻変圧器の場合、一次巻線の両端の電圧を測定するために差動プローブが接続されています。電流プローブは、変圧器を流れる電流を測定します。電力測定ソフトウェアは、磁気電力損失を自動的に計算できます。

インダクタとトランスは、フィルタ、昇圧/降圧、絶縁、エネルギー貯蔵、発振など、スイッチモード電源で重要な役割を果たします。それらが期待どおりに機能することを保証するには、動作条件下で実行される徹底的な回路内測定が必要です。すでに説明したように、電力分析ソフトウェアを備えた最新のオシロスコープは、セットアップが高速で再現性が向上しています。