Induttori di potenza: migliorare le prestazioni grazie a nuovi materiali e tecniche di fabbricazione

Dei tre componenti passivi dei circuiti elettronici, ovvero resistori, condensatori e induttori, questi ultimi sono probabilmente il più complicato in linea di principio. La proprietà dell'induttanza fu scoperta nel 1830 da Michael Faraday, che scoprì che un campo magnetico variabile poteva indurre una corrente elettrica, e da Joseph Henry, che studiò in modo indipendente l'autoinduzione, ovvero il fenomeno per cui un conduttore induce corrente nel circuito stesso.

Finché l'elettromagnetismo non fu compreso in modo più approfondito, rimase un mistero come il semplice avvolgimento in bobina potesse modificare le proprietà elettriche di un filo. Agli albori della radio, gli appassionati del fai-da-te costruivano radio a cristallo utilizzando un induttore a bobina di accordo con decine di spire di filo su un'asta o un tubo di cartone di alcuni centimetri di lunghezza.

Il simbolo schematico dell'induttore si basa sul suo aspetto fisico (Figura 1). Gli induttori possono essere a nucleo di aria, nucleo di ferro e variabili.

Figura 1: Gli induttori (a destra) erano originariamente formati da un filo avvolto attorno a un nucleo di aria o di ferro; sono mostrati anche i simboli schematici corrispondenti (a sinistra). (Immagine per gentile concessione di Hackatronic.com)

L'induttanza è la proprietà di un conduttore che, a causa del suo campo magnetico, tende a opporsi alle variazioni della corrente che lo attraversa. Per questo motivo, gli induttori sono chiamati anche "bobine di arresto", in quanto bloccano o attenuano le variazioni nel flusso di corrente. La relazione tra induttanza (L), tensione (V) e velocità di variazione della corrente (I) è espressa tramite una semplice equazione: V = L (dI/dt).

Sebbene siano ancora ampiamente utilizzati, gli induttori a bobina avvolta non sono adatti all'uso in molti dei circuiti odierni. A volte sono troppo grandi, non in grado di fornire i valori richiesti, presentano correnti parassite indesiderate, hanno una resistenza c.c. (DCR) troppo elevata o presentano un deterioramento delle prestazioni alle alte frequenze, tra le altre caratteristiche. Contrariamente a quanto accadeva ai tempi dei primi appassionati di radio fai-da-te, ora è possibile acquistare induttori a filo avvolto pronti per l'uso per applicazioni a radiofrequenza (RF) di dimensioni inferiori a 1 mm².

I moderni induttori per convertitori di potenza

Nonostante la grande evoluzione compiuta dagli induttori basati su filo, anche le versioni più avanzate non sono all'altezza delle prestazioni e delle dimensioni richieste dai circuiti moderni. Gli attuali induttori di potenza sono componenti di precisione attentamente modellati e completamente specificati nei parametri primari e secondari, con attributi ottimizzati per priorità applicative differenti.

Inoltre, i fornitori hanno sviluppato nuovi materiali per soddisfare le diverse esigenze delle topologie di alimentazione a commutazione, come il convertitore di induttanza primaria a terminazione singola (SEPIC), il Cuk (dal nome del suo inventore, Slobodan Ćuk) e varie configurazioni buck/boost.

La maggior parte di questi dispositivi utilizza materiali avanzati basati su ferrite e polvere di lega con caratteristiche attentamente progettate. Questi induttori offrono una DCR estremamente bassa, che aumenta significativamente il valore Q dell'induttore (una cifra di merito standard per le prestazioni dell'induttore), nonché un basso roll-off dell'induttanza. Quest'ultimo è una misura della diminuzione graduale dell'induttanza effettiva dovuta alla saturazione del nucleo magnetico all'aumentare della corrente continua. È in qualche modo analogo al roll-off della risposta in frequenza di un filtro.

Gli induttori utilizzati negli alimentatori spesso devono avere valori nominali di gestione della corrente relativamente elevati, solitamente nell'ordine delle decine di ampere. Questo parametro non è definito da un singolo valore ma da più valori, come la corrente RMS (I_rms), la corrente di picco (I_picco) e la corrente di saturazione (I_sat). I fornitori offrono induttori con diverse combinazioni di correnti nominali e altri parametri di alto livello per soddisfare le priorità delle varie topologie.

I fornitori hanno anche sviluppato materiali avanzati e tecnologia di montaggio superficiale (SMT) (Figura 2) in grado di resistere al calore associato, senza deterioramento delle prestazioni o perdita di affidabilità. Le versioni schermate aiutano a ridurre al minimo i problemi di interferenza RF (RFI) nelle applicazioni sensibili.

Figura 2: Gli induttori SMT ad alta potenza sono ora disponibili in una varietà di dimensioni sorprendentemente piccole, senza compromessi in termini di prestazioni. (Immagine per gentile concessione di Eaton)

La gamma di novità e di caratteristiche distintive di questi induttori ottimizzati per convertitori è evidente nelle famiglie di induttori stampati HCM/HPAL di Eaton-Electronics Division. Entrambe le famiglie utilizzano materiali avanzati per garantire agli induttori robustezza, alta corrente e basse EMI, mentre la costruzione stampata assicura un roll-off graduale dell'induttanza su un'ampia gamma di correnti nominali.

Le serie HCM e HPAL comprendono dispositivi in una gamma di dimensioni, sempre relativamente compatte.

Per garantire affidabilità e robustezza, la temperatura operativa nominale dei dispositivi HCM/HPAL è compresa tra -55 e +125 °C (ambiente + aumento della propria temperatura) e includono un agente antiruggine che aiuta a prevenire la formazione di ruggine superficiale dovuta agli ambienti umidi (livello di sensibilità all'umidità MSL 1).

La famiglia HCM utilizza un materiale avanzato di polvere di ferro pressata per ottenere una maggiore I_sat, come risulta in due componenti rappresentativi, HCM0503V2-R68-R e HCM0503V2-4R7-R. HCM0503V2-R68-R è un induttore non schermato da 680 nH con DCR di 8 mΩ per il funzionamento fino a 1 MHz. Misura appena 5,7 × 5,4 × 3,0 mm e ha una corrente nominale di 10 A (I_rms)/12 A (I_sat). HCM0503V2-4R7-R è offerto nelle stesse dimensioni di contenitore, ma si presta all'uso laddove è richiesta un'induttanza maggiore. Si tratta di un dispositivo non schermato da 4,7 µH, 47 mΩ con valori nominali di 4,1 A (I_rms)/6 A (I_sat).

Per contro, gli induttori HPAL utilizzano polvere di lega per ottenere una DCR inferiore e una I_rms superiore a parità di perdite nel nucleo. Gli induttori di questa famiglia, che vanno da 0,15 μH a 10 μH e da 4,5 A a 40 A, includono la schermatura elettromagnetica (EMI), una caratteristica fondamentale per alcune applicazioni. Alcuni induttori di esempio sono i modelli HPAL1V0630-R47-R, da 470 nH, 4,1 mΩ con valori nominali di 18 A (I_rms) e 20 A (I_sat), e HPAL1V0630-8R2-R, da 8,2 µH, 55 mΩ con valori nominali di 5 A (I_rms) e 5,5 A (I_sat).

Il grafico nella Figura 3 mostra la relazione di roll-off tra induttanza nominale, corrente continua e temperatura per l'induttore HPAL1V0630-8R2-R.

Figura 3: Le caratteristiche di roll-off e di comportamento correlato per l'induttore HPAL1V0630-8R2-R. (Immagine per gentile concessione di Eaton)

Conclusione

Grazie all'impiego di materiali, tecniche di fabbricazione e confezionamento avanzati, gli induttori odierni hanno compiuto una grande evoluzione rispetto ai predecessori a bobina avvolta. Offrono alta densità in piccoli contenitori SMT, un'ampia gamma di induttanze e correnti nominali con bassa resistenza e molte altre caratteristiche necessarie per alimentatori e convertitori sofisticati, ad alte prestazioni, efficienti e compatti.