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Cálculo de la inductancia de potencia

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Artículo técnico escrito por Alexander Gerfer, Ranjith Bramanpalli, Jochen Baier de Würth Elektronik sobre el cálculo de la inductancia de potencia ideal para aplicaciones de eficiencia energética.

Cálculo de la inductancia de potencia
Gerfer Bramanpalli Baier

La eficiencia energética de los dispositivos con fuentes de alimentación es influenciada principalmente por el inductor. Para el cálculo de la inductancia de potencia ideal se ha encontrado una solución que reduce las pérdidas en los materiales del núcleo: una simple herramienta online REDEXPERT que determina con precisión las pérdidas de AC.

Los diseños de eficiencia energética exitosos dependen en gran medida de la fuente de alimentación y, en consecuencia, de la composición de sus componentes individuales. Por este motivo, al seleccionar estos componentes — tales como inductores (bobinas), para por ejemplo, el almacenamiento temporal de energía — es importante entender sus pérdidas y el comportamiento térmico que tienen. Mediante la introducción de nuevos materiales y el cálculo de pérdidas de AC mediante el uso de distintos modelos es posible medir y comprobar la inductancia de potencia ideal para aplicaciones de eficiencia energética.

Mientras que antiguamente eran los reguladores lineales los reguladores de tensión más ampliamente utilizados, hoy predominan las fuentes de alimentación conmutadas en los dispositivos electrónicos modernos. La continua reducción de los voltajes de procesadores ha desempeñado un importante papel en este cambio. Hace tan solo un par de años, las frecuencias de conmutación de hasta 300 kHz eran muy comunes. Hoy en día los controladores de conmutación modernos tienen normalmente frecuencias de 800 kHz o más. Tanto las pérdidas por conmutación como las pérdidas en inductores de potencia son aspectos importantes en el diseño de fuentes de alimentación conmutadas.

Estas últimas pueden verse influenciadas por la combinación de materiales. Los cálculos convencionales de pérdidas en el núcleo que utilizan la ecuación de Steinmetz llegan rápidamente a sus límites. Una nueva herramienta de Würth Elektronik , la cual tiene sus bases en una aproximación metrológica, ayuda al desarrollador a determinar los datos de pérdidas de corriente para DC y AC con la mejor exactitud posible en inductores de potencia dentro del entorno de la aplicación.

Reducción de las pérdidas del material del núcleo en el cálculo de la inductancia de potencia

Mediante la introducción de nuevas composiciones de materiales de aleaciones de hierro, Würth Elektronik ha reducido aún más las pérdidas de material del núcleo para inductores de alta potencia. La línea de componentes WE-MAPI combina el uso óptimo de inductancia y la capacidad de carga de corriente con pérdidas internas bajas, gracias a una selección inteligente de materiales y tecnología de fabricación.

Las bobinas convencionales suelen utilizar alambre de cobre esmaltado enrollado en torno al núcleo y soldado al terminal con un clip. El anillo exterior de apantallamiento es entonces montado y unido al núcleo interno y al bobinado. La WE-MAPI es distinta: el bobinado se encuentra en contacto directo con los terminales de contacto del componente sin soldaduras. Al ya no requerir el clip, se aumenta el diámetro efectivo, requiriendo así un bobinado menor para obtener los mismos valores de inductancia. Esto se expresa directamente en una reducción considerable de la resistencia de DC (RDC) del bobinado.

Cálculo de la inductancia de potencia
Encapsulado exterior y estructura del núcleo: reducción de las pérdidas de materiales del núcleo con la bobina WE-MAPI.

El núcleo de WE-MAPI consiste en una innovadora aleación de metales comprimidos en torno al bobinado. Esto le otorga a la bobina altos valores de inductancia en un encapsulado pequeño. Al mismo tiempo, mediante la construcción especial del núcleo, se consigue un efecto de autoprotección. El material del núcleo es estable a la temperatura con poca deriva y tiene un sorprendente comportamiento de saturación suave. También se aplica una capa de protección en torno al núcleo para proteger la superficie contra las influencias ambientales.

Pérdidas en los inductores de potencia

Las pérdidas en los inductores de potencia son causadas por una combinación de pérdidas de los materiales del núcleo y pérdidas del bobinado. Estas últimas pueden ser divididas en pérdidas de corriente DC, influenciadas principalmente por la resistencia en continua del bobinado (P=I2* RDC), y las pérdidas de AC (RAC) del bobinado, provenientes de efectos peliculares y de proximidad.

En los controladores de conmutación, la bobina es uno de los componentes más importantes y, por lo tanto, la determinación precisa de las pérdidas y del calentamiento son un paso fundamental para la selección del componente adecuado. Para predecir el calentamiento, se debe primero determinar con precisión la pérdida de AC. Aquí los métodos de Dowell, Ferreira o Nan/Sullivan son solo algunos de los métodos utilizados en la actualidad.

Históricamente,  en el cálculo de la inductancia de potencia, las pérdidas del núcleo se determinaban utilizando los modelos de Steinmetz, y posteriormente con un modelo de Steinmetz modificado o generalizado. El principal problema de la ecuación de Steinmetz es que esta se aplica principalmente para excitaciones sinusoidales y la determinación de los coeficientes es medida generalmente solo con señales muy pequeñas. No obstante, para la mayoría de las aplicaciones en la electrónica de potencia, la corriente de la bobina no es sinusoidal. Además, las corrientes son grandes señales de varios miliamperios (mA) hasta varios cientos de amperios (A).

Existen otros modelos que intentan abordar el problema de las formas de ondas no sinusoidales, separando las histéresis y las pérdidas de corriente de Foucault. La ecuación empírica de Steinmetz ha demostrado ser una variante útil, pero sólo ofrece una alta precisión para corrientes sinusoidales. Sin embargo, los distintos modelos de Steinmetz solo funcionan de manera óptima con un ciclo de trabajo del 50 porciento y dentro de un rango de frecuencia limitado. Además, la determinación de la longitud de trayecto magnético es sumamente compleja. Posteriormente, la determinación de pérdidas en el núcleo con la ayuda de modelos existentes para polvo de hierro y aleaciones de metal no es solo exigente, sino que la precisión de esta está sujeta a fluctuaciones significativas. Para el caso del cálculo de la inductancia de potencia en inductores, que constan de muchos materiales distintos en el núcleo, no se puede determinar las pérdidas, o esto es, como mínimo, extremadamente complicado.

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