Leitfaden zu gekoppelten Induktivitäten

Was ist eine gekoppelte Induktivität?

Eine gekoppelte Induktivität verfügt über zwei oder mehr Wicklungen auf einem gemeinsamen Kern. Gekoppelte Induktivitäten funktionieren in DC/DC-Wandlern, indem sie Energie über den gemeinsamen Kern von einer Wicklung auf die andere übertragen. Sie sind in vielen Baugrößen, Induktivitätswerten und Strombelastbarkeiten erhältlich; die meisten sind für eine geringe elektromagnetische Störung (EMI) magnetisch geschirmt. Die Wicklungen können gleiche (1:1) oder ungleiche Übersetzungsverhältnisse (1:N) aufweisen. Aufgrund der hohen Nachfrage in einer Vielzahl von Schaltungen sind viele Standard-Induktivitäten mit 1:1 und 1:N direkt ab Lager verfügbar.

Was sind typische Anwendungen für gekoppelte Induktivitäten?

Zweckoptimierte gekoppelte Induktivitäten werden in einer Vielzahl von Leistungswandlerschaltungen wie Flyback (Sperrwandler), SEPIC, Fly-Buck™, Cuk, ZETA und Mehrphasen-Topologien eingesetzt. Diese Spannungsregelungsschaltungen nutzen gekoppelte Induktivitäten, um die benötigten Ausgangsspannungen (die gegenüber der Eingangsspannung erhöht oder verringert sein können) effizient bereitzustellen. SEPIC- und Zeta-Schaltungen verwenden hierfür 1:1 gekoppelte Induktivitäten, während Flyback- und andere Schaltungen 1:N-Induktivitäten nutzen. In Mehrphasen-Leistungswandlern sorgen gekoppelte Induktivitäten für eine bauartbedingte Auslöschung des Rippelstroms, die von einzelnen Induktivitäten nicht geboten wird.

Die Wicklungen gekoppelter Induktivitäten können in verschiedenen Konfigurationen geschaltet werden, um unterschiedlichen Zwecken zu dienen. Sie können separat in Schaltungen als Isolationstransformatoren oder als Gleichtaktdrosseln angeschlossen werden. Eine Reihenschaltung ist ebenfalls möglich, um eine höhere Induktivität zu erzielen oder sie als getappte Induktivität (Drossel mit Anzapfung) zu nutzen. Da der Einsatz von Standard-Induktivitäten zugenommen hat, bieten Coilcraft-Datenblätter mittlerweile anwendungsspezifische Charakterisierungen, die Entwicklern bei der Auswahl der am besten geeigneten Induktivität helfen.

Was ist der Unterschied zwischen einer gekoppelten Induktivität und einem Transformator?

Physikalisch gibt es oft nur geringe oder gar keine Unterschiede zwischen dem, was ein Ingenieur als gekoppelte Induktivität und ein anderer als Transformator bezeichnet. Beide können ein Übersetzungsverhältnis von 1:1 oder 1:N sowie ähnliche Wicklungs-Kern-Anordnungen aufweisen und sogar gleich aussehen. Der passendste Begriff hängt von der vorgesehenen Anwendung ab.

Gekoppelte Induktivitäten und Sperrwandler-Transformatoren (Flyback) nutzen beide Kerne, um von einer Wicklung aufgenommene Energie zu speichern und diese dann auf die andere Wicklung zu übertragen. Sowohl bei Transformatoren als auch bei gekoppelten Induktivitäten hängt die Wirksamkeit der Wicklungskopplung – ausgedrückt durch den Kopplungsfaktor k – von den Eigenschaften des Kernmaterials sowie der physischen Anordnung von Wicklungen und Kern ab.

Gemeinsam ist Transformatoren und gekoppelten Induktivitäten, dass eine enge Kopplung zwischen den Wicklungen (k > 0,9) zu einer niedrigen Streuinduktivität führt und im Allgemeinen die effizienteste Energieübertragung sowie die breiteste nutzbare Frequenzbandbreite bietet. Hochleistungsdesigns wie die LPD- und LPD-V-Familien von Coilcraft bieten den gewünschten Kopplungsfaktor bei gleichzeitig hoher Spannungsisolation zwischen den Wicklungen.

Eine enge Kopplung ist jedoch nicht für alle Anwendungen optimal. Die Serie MSC1278 von Coilcraft ist speziell mit einer hohen Streuinduktivität für den Einsatz in bestimmten SEPIC-Anwendungen konzipiert. Die lose gekoppelten Wicklungen (k ≈ 0,8) steigern die SEPIC-Effizienz durch Reduzierung von Kreisströmen und bieten dennoch eine doppelt so hohe Rippelstromreduzierung im Vergleich zu getrennten Einzelinduktivitäten.

Wie wähle ich eine gekoppelte Induktivität aus?

Die Auswahl einer gekoppelten Induktivität hängt von der jeweiligen Anwendung ab. Wie in Abbildung 3 dargestellt, charakterisiert Coilcraft seine gekoppelten Induktivitäten für unterschiedliche Schaltungstopologien und stellt darüber hinaus Online-Tools zur Auswahl geeigneter Bauteile bereit.

Für einen vorgegebenen Induktivitätswert und eine gewünschte Strombelastbarkeit liefert das Coupled Inductor Finder Tool eine Liste standardmäßig verfügbarer gekoppelter Induktivitäten, die diese Anforderungen erfüllen.

Dieses Dokument beschreibt außerdem die speziellen Berechnungen für SEPIC-Anwendungen, mit denen die erforderlichen Parameter einer gekoppelten Induktivität bestimmt werden.

Sobald die erforderlichen Werte für Ihre SEPIC-Anwendung festgelegt wurden, können Sie diese in das Coupled Inductor Finder Tool eingeben, um geeignete gekoppelte Induktivitäten zu finden und miteinander zu vergleichen.

Welche Arten von gekoppelten Induktivitäten stellt Coilcraft her?

Coilcraft entwickelt und fertigt eine Vielzahl oberflächenmontierbarer (SMD) gekoppelter Induktivitäten für zahlreiche Anwendungen, darunter 1:1-Ausführungen mit flachem Profil, niedrigem DCR, Miniatur-Baugrößen, hoher Temperaturbeständigkeit und hoher Isolation. Zudem bietet Coilcraft verschiedene 1:N-Varianten in Verhältnissen von 1:1,5 bis 1:100 an.

• Alle oberflächenmontierbaren gekoppelten Induktivitäten von Coilcraft
• Visueller Auswahlleitfaden für 1:1 gekoppelte Induktivitäten und typische Anwendungsschaltpläne
• Gekoppelte Induktivitäten von Coilcraft (wie LPD- und MSD-Bauformen), die als Gleichtaktdrosseln für Anwendungen unter 1 GHz charakterisiert sind.

Zugehörige Applikationsschriften

• Auswahl gekoppelter Induktivitäten für SEPIC-Anwendungen
• Offline-Buck-Wandler mit getappter Induktivität bietet verbesserte Leistung – ON Semiconductor
• Video: Verkleinern Sie Ihr Fly-Buck-Design mit Standard-Induktivitäten – Texas Instruments
• Die Vorteile der Technologie gekoppelter Induktivitäten – Maxim Integrated
• Gekoppelte Induktivitäten erweitern den Einsatzbereich von DC/DC-Wandlern – Texas Instruments