作者：Len Crane，Coilcraft 公司技术营销总监
关键元件的效率和热性能对任何转换器设计的成败都有着切实的影响。开关FET和电感通常是在决定任何转换器尺寸和性能时考虑最多的两个选择。尽管它们由截然不同的材料制成，并且在电路中执行不同的功能，但在效率和功率损耗方面，FET和电感确实有一个非常重要的共同特性。那就是，对于FET和电感来说，都必须考虑传导（静态）损耗和开关（动态）损耗。
转换器设计者都知道，电感数据手册中充斥着各种电流"额定值"，有多列数据分别表示Isat、Irms和直流电阻。然而，最有经验的设计者也意识到，尽管这些数字看起来整齐划一，但它们主要针对的是电感传导损耗，却很少提供关于动态开关损耗的必要信息。本文将重点讨论Irms和DCR的局限性，以及其他一些对热性能有重要影响但数据手册通常未涵盖的因素。
FET损耗
无论开关是传统的硅MOSFET、GaN还是SiC，我们都知道必须考虑传导损耗、开关损耗和栅极驱动损耗。所有这些都经过了深入研究并得到了很好的表征。供应商提供各种数据手册曲线、计算指南和在线工具来计算应用性能。
不同类型的FET损耗大致都产生于FET内部的同一区域，其热特性由结到壳的热阻来表征。严格来说，FET损耗并非全部来自单个结或点，但它们都在芯片上产生，产生的热量通过均匀的封装材料传导到器件外部。可以预期，具有相同芯片尺寸和封装的FET具有相似的热特性。
电感
与FET类似，电感既有传导损耗，也有多种动态损耗，包括磁芯损耗和绕组损耗。动态绕组损耗包括集肤效应和邻近效应，考虑到可能存在的各种绕组结构，对这些效应进行建模和预测尤其具有挑战性。考虑图1所示的绕组，它代表了同一电感器系列中使用相同磁芯/封装的两个不同电感值的不同绕组。首先可以看到的是，在电感的整个体积内，绕组和磁芯占据了显著不同的空间。虽然我们可以预测热量从FET芯片通过封装材料到封装表面的可能传导路径，但对于电感来说，情况并非如此直接，因为任何热传导路径都将取决于热源的位置。
图1：电感磁芯自发热与绕组自发热对比
图1有助于直观地理解电感内部产生的热量如何根据具体的损耗机制在电感本体内空间上变化。它也清楚地表明，传统成型磁芯上的线圈绕组并不是散热的最佳选择，特别是如果热量主要由绕组产生的话，因为绕组和周围磁芯之间通常很少或没有直接的表面接触。但值得注意的是，流行的复合磁芯电感，其中磁芯材料是模制在绕组之上、之内和周围的，这为热量从电感内部传导到外部创造了更好的路径。（图2）。
图2：模塑复合磁芯电感
设计实例 – 初步选择
典型的数据手册提供多种数据来帮助确定由运行自热引起的电感温升。
图3：Coilcraft XGL3515-102ME 功率电感的性能规格
让我们考虑为一个24 V转5 V、在2.2 MHz开关频率下提供8 A直流负载电流的转换器选择电感。首先，我们使用公式计算所需的电感值：
并计算30%的纹波电流：
得出 L = 0.79 µH。我们选择一个标准的1 µH电感以留出一些余量，并将纹波电流保持在较低水平。从图3的电感数据手册中我们看到，电感XGL3515-102ME的Irms额定值为7.8 A，对应40°C的自热温升。根据Irms和直流电阻，我们可以计算出在最大负载电流下的预期功率损耗 = I²R = (8²) * (0.0185) = 1.18 W，这略低于40 W输出功率的3%。因此，我们实现的是选择了一个尺寸非常紧凑、仅有3.5 mm见方、1.5 mm高的电感，在满输出功率时最高温升约为40°C。
就这样吗？
上面的例子看起来非常简单，实际上也的确过于简单了。您肯定注意到了，我们没有涉及可能存在的电感动态损耗。事实是，电感数据手册并不涉及动态损耗。有些数据手册确实包含供用户估算磁芯损耗的公式，但这并不涵盖由集肤效应、邻近效应、边缘磁通引起的涡流等导致的绕组损耗。这些动态电感损耗的每一种都可以建模或计算。
例如，可以使用原始的Steinmetz方程或其众多衍生公式之一来估算磁芯损耗。这需要了解磁芯的所有尺寸、磁芯材料的材料系数以及绕组的匝数。同样，绕组中的邻近效应可以使用Dowell方程或曲线来计算。为此，必须知道绕组的尺寸和导体特性。对于Steinmetz和Dowell方法，都必须了解电感是如何构造的许多细节以及其中材料的特性。所有这些是电感设计者所知晓的，但用户如何得知？如何为特定应用选择合适的电感并正确理解其热性能？应当指出，热性能不仅是运行效率的间接指标，而且热性能是可能损坏电感的关键因素。简单来说，我们不希望电感的自发热损害转换器的可靠寿命。虽然现代电感非常坚固，在大多数情况下不太可能自行烧毁，但电路中的热源很容易损害其他关键部件的预期寿命。
解决方案
像Coilcraft获得专利的MAGPro® DC-DC优化器这样的工具，能够根据用户输入的电路参数接管热计算，从而使转换器设计者无需深入探究电感的细节。关键在于，有效使用商用现货电感的同时，仍能获得以往需要自行设计电感或至少精通其细节才能拥有的那种洞察力和性能预期。
人们可能会想知道驱动此类工具的模型有多完整。模型是否包含了所有可能的寄生损耗？答案是，该工具并非基于模型，而是基于使用方波电压（硬开关）转换器对实际电感进行表征，并捕获总的直流和交流（动态）损耗。这消除了准确预测所有可能损耗机制的需要，因为所有损耗都在测量/表征过程中被捕获了。
让我们回到使用Coilcraft MAGPro DC-DC优化器工具的设计实例。该过程从输入相同的应用参数开始。
图4：DC-DC优化器的输入
我们选择相同的1 µH电感，工具告诉我们损耗并非如根据数据手册计算的1.18 W，而是接近两倍，超过2.7 W。并且，自热导致的温升不再是40°C，现在的预期温升是两倍多，达到了94°C！
图5：电感损耗和温度的全貌
这些信息不仅快速给出了预期的温升答案，而且指明了改进方案的方向。了解到此方案中主要包含动态损耗，表明更改电感值以降低纹波电流，或更改开关频率，甚或选择更大的电感，都可以提供更高的效率和更低的电感温升。
总结
已经表明，电感损耗在某种程度上类似于开关FET损耗，因为这两种器件都可能表现出传导和动态损耗机制。由于磁性元件的物理特性，电感具有其独特的物理特性组合来决定效率。与其让每个电路设计者都面临冗长的电感设计分析，不如利用基于经过验证的工程知识和实际数据的工具，以快速且用户友好的方式提供答案。对大多数设计者而言，明智地使用电感似乎比在每个新项目中重新思考电感结构更能有效地利用时间。
文章来源：PSD功率系统设计