電源設計でインダクタの飽和を回避する方法

インダクタは、DC/DC 電源の重要なコンポーネントです。インダクタを選択するには、インダクタンス値、DCR、サイズ、飽和電流などの多くの要素を考慮する必要があります。インダクタの飽和特性は誤解されることが多く、トラブルの原因となります。この記事では、インダクタが飽和する仕組み、飽和が回路に与える影響、およびインダクタの飽和を検出する方法について説明します。

インダクタ飽和の原因

インダクタがどのように飽和するかを確認するには、図 1 と以下のインダクタ飽和の手順を参照してください。

• 図 1 のコイルに電流が流れると、コイルは磁場を生成します。

• コアは磁場によって磁化され、その内部磁区がゆっくりと回転します。

• コアが完全に磁化されると、磁区の向きは磁場と一致します。このとき、外部磁場が加わってもコア内には回転磁区が存在しません。この時点で、インダクタンスは飽和に達します。

図 1: インダクタの飽和の概略図

図2はインダクタの飽和を別の角度から表したもので、系の磁束密度(B)と磁界の強さ(H)が式を通してインダクタンスにどのような影響を与えるかを示しています。

磁束密度がBMに達すると、磁界強度の増加に伴って磁束密度が増加しなくなり、この時点でインダクタンスは飽和に達します。

インダクタンスと透磁率 (μ) の関係を見てください。インダクタが飽和すると透磁率が大幅に低下し、インダクタンスが大幅に低下し、電流を抑える能力が失われます。

図 2: 磁化曲線と計算式

インダクタの飽和を判断するためのヒント:

実際のアプリケーションにおけるインダクタンスの飽和を判断する方法は、理論計算と実験テストの 2 つのカテゴリに分けられます。図 3 は、これらの方法をまとめたものです。

図3：インダクタ飽和の判定方法

理論計算では最大磁束密度や最大インダクタ電流を計算する必要がありますが、実験試験ではインダクタ電流波形の観察などの事前判断が主となります。以下の詳細な説明を参照してください。 

方法 1: 磁束密度の計算

この方法は、磁気コアを使用してインダクターを設計するシナリオに適しています。コアパラメータには、磁路長 (lE) と有効断面積 (AE) が含まれます。コアのタイプによって、対応する磁気グレードも決まります。磁性材料も、コア損失と飽和磁束密度に応じて指定する必要があります (図 4 を参照)。

図 4: インダクタのパラメータと特性

これらのデータを使用して、実際の設計スキームに従って最大磁束密度を計算できます。最大磁束密度の計算式を図5に示します。

図5：磁束密度の計算式

実際の計算は、μR をμI に置き換えることで簡略化できます。磁性材料の飽和磁束密度と比較することで、設計したインダクタンスが飽和する恐れがあるかどうかを判断できます。

方法 2: 最大インダクタ電流の計算

このアプローチは、既存のインダクタを使用して回路を設計するときに使用できます。回路トポロジが異なると、インダクタ電流の計算式も異なります。

 スイッチモードコンバータ MP2145 を例にとると、インダクタ電流は次の式に従って計算でき、計算結果をインダクタの仕様と比較して、インダクタが飽和に達するかどうかを判断できます (図 6 を参照)。

図 6: MP2145 を例として最大インダクタ電流を計算する

方法3：インダクタ電流波形によるインダクタの飽和判定

この方法は、エンジニアが利用できる最も一般的で実用的な方法です。 

MPSmart シミュレーション ツールを使用し、MP2145 を例として説明します。シミュレーション波形から、インダクタが飽和していない場合、インダクタ電流はある傾きを持った三角波であることがわかります。インダクタが飽和すると、飽和後のインダクタンスの減少によってインダクタ電流波形が大幅に歪みます (図 7 を参照)。

図 7: MP2145 のシミュレートされたインダクタ電流波形

インダクタ電流波形の歪みを観察して、インダクタがいつ飽和に達するかを判断できます。

図 8 に MP2145 評価ボードで測定した波形を示します。インダクタが飽和すると明らかな歪みが発生することがわかり、これはシミュレーション結果と一致しています。

図 8: MP2145 評価ボードの実際のインダクタ電流波形

方法4：インダクタの異常温度上昇を測定し、音鳴りで判断する

システムのコアモデルが分からないと、インダクタの飽和電流を決定するのは難しい場合があります。場合によっては、インダクタ電流を測定するためにインダクタを PCB から部分的に持ち上げる必要があるため、インダクタ電流の測定があまり便利でない場合があります。そこで、別のトリックを使用することができます。それは、サーマルイメージャを使用してインダクタの温度を測定することです。温度が設計の予想を大幅に超えた場合は、インダクタが飽和していることを示している可能性があります (図 9 を参照)。また、インダクタに耳を近づけて音が鳴る場合は、インダクタが飽和していることを示している可能性があります。

図 9: サーマルイメージャを使用したインダクタ温度の測定

インダクタを備えた電源を設計する場合、インダクタの飽和を避けることが重要です。この記事では、磁気飽和につながる物理的特性のいくつかについて説明し、回路に適切なインダクタ値を選択するための公式と、インダクタが飽和したときの電流波形のグラフを示します。また、インダクタが飽和しているかどうかを観察するためのその他のヒントも提供しますアプリケーションが飽和状態になっています。