Inductores de potencia: Obtienen un mayor rendimiento con nuevos materiales y técnicas de fabricación

De los tres componentes pasivos en circuitos electrónicos, resistencias, capacitores e inductores, este último probablemente sea el más extraño en principio. La inductancia fue descubierta en la década de 1830 por Michael Faraday, quien descubrió que un campo magnético cambiante podía inducir una corriente eléctrica, y por Joseph Henry, que estudió de forma independiente la "autoinducción", mediante la cual un conductor induce corriente en sí mismo.

Hasta que se entendiera mejor la electromagnetismo, era un misterio cómo simplemente formar un cable en una bobina podía cambiar sus propiedades eléctricas. En los primeros días de la radio, los entusiastas del bricolaje (DIY) construían radios de cristal usando un inductor de bobina de sintonización con docenas de vueltas de alambre en una varilla o tubo de cartón, de solo unos pocos centímetros de largo.

El símbolo esquemático del inductor se basa en su apariencia física (Figura 1). Las opciones de inductor incluyen núcleo de aire, núcleo de hierro y variable.

Figura 1: Los inductores (derecha) se formaban originalmente a partir de hilo bobinado alrededor de un núcleo de aire o hierro; se muestran los símbolos esquemáticos correspondientes (izquierda). (Fuente de la imagen: Hackatronic.com)

La inductancia es la propiedad de un conductor que, debido a su campo magnético, tiende a oponerse a los cambios en la corriente que lo atraviesa. Por esta razón, a los inductores a veces se les llama obturadores, ya que "obturan" los cambios en el flujo de corriente. La relación entre inductancia (L), voltaje (V) y la tasa de cambio de corriente (I) se expresa mediante una ecuación simple: V = L (dI/dt).

Aunque todavía se usan ampliamente, los inductores de bobina enrollada no son adecuados para muchos de los circuitos actuales. Pueden ser demasiado grandes, incapaces de proporcionar los valores requeridos, presentar parásitos indeseables, tener una resistencia CC (DCR) demasiado alta y mostrar degradación del rendimiento a frecuencias más altas, entre otras características. A diferencia de los primeros entusiastas de la radio DIY, ahora es posible comprar inductores bobinados listos para usar para aplicaciones de radiofrecuencia (RF) que midan menos de 1 milímetro cuadrado (mm²).

Inductores modernos para convertidores de potencia

Aunque los inductores han avanzado mucho, incluso las versiones mejoradas basadas en cable quedan cortas en rendimiento y tamaño para circuitos modernos. Los inductores de potencia modernos son componentes de precisión que se modelan cuidadosamente y se especifican completamente entre parámetros primarios y secundarios, con atributos optimizados para diferentes prioridades de aplicación.

Además, los fabricantes han desarrollado nuevos materiales para satisfacer las diferentes necesidades de topologías de potencia conmutadas, como el convertidor de inductor primario de extremo único (SEPIC), el Cuk (llamado así por su inventor, Slobodan Ćuk) y varias configuraciones de reductor-elevador.

La mayoría de estos utilizan materiales avanzados a base de ferrita y polvo con características cuidadosamente adaptadas. Estos inductores ofrecen un DCR extremadamente bajo, que aumenta significativamente el Q del inductor (una cifra estándar de mérito para el rendimiento del inductor), así como una baja reducción de inductancia. Esta última es una medida de cómo disminuye o "se desvanece" la inductancia real debido a la saturación del núcleo magnético a medida que aumenta la corriente continua. Es algo análogo a la reducción de respuesta frente a frecuencia de un filtro.

Los inductores usados en fuentes de alimentación suelen tener también cifras de manejo de corriente relativamente altas, normalmente de decenas de amperios. Este parámetro no está definido por un solo valor, sino por varios valores, como la corriente de raíz cuadrática media (RMS) (I_rms), la corriente de pico (I_peak) y la corriente de saturación (I_sat). Los proveedores ofrecen inductores con diferentes combinaciones de calificaciones actuales y otros parámetros de primer nivel para cumplir con las prioridades de las distintas topologías.

Los fabricantes también han desarrollado materiales avanzados y tecnología de montaje superficial (SMT) (Figura 2) que pueden soportar el calor asociado sin pérdida de rendimiento ni fiabilidad. Las versiones blindadas ayudan a minimizar los problemas de interferencias de RF (RFI) en aplicaciones sensibles.

Figura 2: Los inductores SMT de alta potencia están ahora disponibles en una variedad de tamaños sorprendentemente pequeños, sin compromisos de rendimiento. (Fuente de la imagen: Eaton)

La variedad de avances y diferenciaciones entre estos inductores optimizados para convertidores se observa en las familias de inductores moldeados HCM/HPAL de Eaton-Electronics Division. Ambas familias utilizan materiales avanzados para inductores para su solidez, alta corriente y baja EMI, mientras que su construcción moldeada proporciona una suave reducción de inductancia a lo largo de una amplia gama de corrientes nominales.

Los dispositivos de las series HCM y HPAL están disponibles en una variedad de tamaños, aunque siguen siendo relativamente pequeños.

Para fiabilidad y solidez, la temperatura de funcionamiento nominal de los dispositivos HCM/HPAL es de -55 a 125 °C (aumento ambiental más autotemperatura), e incluyen un agente antioxidante para ayudar a prevenir el óxido superficial debido a ambientes húmedos (Nivel de sensibilidad a la humedad (MSL) 1).

La familia HCM utiliza un polvo avanzado de hierro prensado para l_sat superior, como se ve en dos partes representativas, la HCM0503V2-R68-R y la HCM0503V2-4R7-R. El HCM0503V2-R68-R es un inductor DCR sin blindaje de 680 nanohenry (nH), 8 miliohmios (mΩ), para funcionamiento hasta 1 megahercio (MHz). Mide solo 5.7 × 5.4 × 3.0 mm y presenta corrientes nominales de 10 amperios (A) (I_rms)/12 A (I_sat). El HCM0503V2-4R7-R viene en el mismo tamaño de paquete, pero es adecuado si se requiere una inductancia mayor. Es un dispositivo sin blindaje de 4.7 μH, 47 mΩ, homologado para 4.1 A (I_rms)/6 A (I_sat).

En cambio, los inductores HPAL utilizan polvo de aleación para lograr un menor DCR y un mayor l_rms, manteniendo bajas pérdidas de núcleo. Los inductores de esta familia, que abarcan de 0.15 μH a 10 μH y de 4.5 A a 40 A, incluyen blindaje electromagnético (EMI), una característica crítica en algunas aplicaciones. Ejemplos de dispositivos incluyen el HPAL1V0630-R47-R, un inductor de 470 nH, 4.1 mΩ con una potencia nominal de 18 A (I_rms) y 20 A (I_sat), y el HPAL1V0630-8R2-R, un inductor de 8.2 μH y 55 mΩ con potencia nominal de 5 A (I_rms) y 5.5 A (I_sat).

El gráfico de la Figura 3 muestra la relación de reducción entre la inductancia nominal, la corriente continua y la temperatura para el inductor HPAL1V0630-8R2-R.

Figura 3: Se muestran las características de rodamiento y comportamiento relacionadas para el inductor HPAL1V0630-8R2-R. (Fuente de la imagen: Eaton)

Conclusión

Al usar materiales avanzados, técnicas de fabricación y envases, los inductores actuales han avanzado mucho respecto a sus predecesores de bobina enrollada. Ofrecen alta densidad en paquetes SMT pequeños, una amplia gama de inductancia y corriente con baja resistencia, y muchas otras características necesarias para fuentes y convertidores sofisticados, de alto rendimiento, eficientes y compactos.