전력 인덕터: 새로운 재료와 제조 기술로 성능 개선하기

전자 회로망의 세 가지 수동 부품인 저항기, 커패시터, 인덕터 중에서, 인덕터가 이론적으로 가장 까다로울 수 있습니다. 유도 용량은 1830년대에 변화하는 자기장이 전류를 유도할 수 있음을 알아낸 Michael Faraday와, 독립적으로 ‘자기 유도’ 현상(도체가 스스로 전류를 유도하는 현상)을 연구한 Joseph Henry에 의해 그 개념이 정립되었습니다.

전자 기학에 대한 연구가 활발해지기 전까지는, 단순히 전선으로 코일을 만드는 것만으로 전기적 특성이 어떻게 달라질 수 있는지 잘 알 수 없었습니다. 무선 통신 초창기에는 DIY 애호가들이 막대나 판지로 된 튜브에 수십 개의 전선을 감은 튜닝 코일 인덕터를 사용하여 몇 인치 길이의 크리스털 라디오를 만들곤 했습니다.

인덕터의 회로도 기호는 물리적 외관을 기반으로 합니다(그림 1). 인덕터 옵션에는 공심, 철심, 가변형이 있습니다.

그림 1: 인덕터(오른쪽)는 원래 공기 또는 철심에 감긴 전선의 형태였으며, 해당 회로도 기호(왼쪽)가 표시되어 있습니다(이미지 출처: Hackatronic.com).

유도 용량은 컨덕터가 지니는 속성으로, 컨덕터의 자기장 때문에 이를 통과하는 전류의 변화에 반대하는 경향이 있습니다. 이러한 이유로, 인덕터는 전류 흐름의 변화를 '초크'한다는 의미에서 초크라고도 불립니다. 유도 용량(L), 전압(V), 전류의 변화율(I) 사이의 관계는 V = L(dI/dt)라는 간단한 방정식으로 표현됩니다.

권선 코일 인덕터는 여전히 널리 사용되고 있지만, 많은 최신 회로에는 적합하지 않습니다. 크기가 너무 크거나, 필요한 값을 제공하지 못하거나, 바람직하지 않은 기생을 나타내거나, DC 저항(DCR)이 너무 높거나, 높은 주파수에서 성능 저하를 보이는 등의 특징이 있을 수 있습니다. 초기 DIY 무선 통신 애호가 시절과 달리, 이제는 1mm² 미만의 무선 주파수(RF) 응용 제품을 위한 기성품 권선 인덕터를 구입할 수 있습니다.

전력 컨버터용 최신 인덕터

인덕터는 많은 발전을 거듭해 왔지만, 개선된 전선 기반 버전조차도 최신 회로에서 사용하기에는 그 성능과 크기가 부족합니다. 최신 전력 인덕터는 다양한 응용 제품 우선순위에 최적화된 속성을 통해 기본 및 보조 파라미터 전반에 걸쳐 세심하게 모델링되고 완벽하게 지정된 정밀 부품입니다.

또한 판매업체들은 단일 엔드 1차 인덕터 컨버터(SEPIC), Cuk(이를 발명한 Slobodan Ćuk의 이름을 땀), 다양한 벅-부스트 구성 등 스위치 모드 전력 토폴로지의 다양한 요구를 충족하기 위해 새로운 재료를 개발했습니다.

이들 대부분은 세심하게 맞춤화된 특성을 가진 첨단 페라이트 및 분말 기반의 재료를 사용합니다. 이러한 인덕터는 매우 낮은 DCR을 제공하여, 인덕터 Q(인덕터 성능의 표준 성능 지수)를 크게 향상시키고 유도 용량 롤오프를 낮춥니다. 후자는 DC 전류가 증가함에 따라 자기 코어 포화로 인해 실제 유도 용량이 어떻게 감소하거나 '롤오프'되는지를 측정한 것입니다. 이는 필터의 응답 대 주파수 롤오프와 다소 유사합니다.

전원 공급 장치에 사용되는 인덕터는 보통 수십 암페어에 이르는 비교적 높은 전류 처리 정격을 가져야 하는 경우가 많습니다. 이 파라미터는 단일 값으로 정의되는 것이 아니라 실효값(RMS) 전류(I_rms), 피크 전류(I_peak), 포화 전류(I_sat) 등 여러 값으로 정의됩니다. 판매업체들은 다양한 토폴로지의 우선 순위를 충족하기 위해 전류 정격 및 기타 최상위 파라미터의 다양한 조합을 갖춘 인덕터를 제공합니다.

또한 판매업체들은 성능과 신뢰성을 유지하면서도 관련된 열을 견딜 수 있는 첨단 재료와 표면 실장 기술(SMT)을 개발했습니다(그림 2). 차폐 버전은 민감한 응용 제품에서 RF 간섭(RFI) 문제를 최소화하는 데 도움이 됩니다.

그림 2: 기존과 동일한 성능을 제공하는 다양한 초소형 크기의 고전력 SMT 인덕터가 출시되었습니다(이미지 출처: Eaton)

이러한 컨버터 최적화 인덕터의 다양한 발전과 차별화는 Eaton-Electronics Division의 HCM/HPAL 성형 인덕터 제품군에서 확인할 수 있습니다. 두 제품군 모두 견고성, 고전류, 낮은 EMI를 위해 첨단 인덕터 재료를 사용하며, 제품의 성형 구조는 광범위한 전류 정격에서 부드러운 유도 용량 롤오프를 제공합니다.

HCM 및 HPAL 계열의 장치는 크기가 다양하고 비교적 작습니다.

신뢰성과 견고성을 위해, HCM/HPAL 장치의 정격 작동 온도는 -55°C ~ 125°C(주변 온도와 자체 온도 상승 포함)이며, 습한 환경으로 인한 표면 녹을 방지하는 방청제가 포함되어 있습니다(수분 민감도 레벨(MSL) 1).

HCM 제품군은 HCM0503V2-R68-R과 HCM0503V2-4R7-R의 두 가지 대표적인 부품에서 볼 수 있듯이, 우수한 I_sat를 위해 첨단 압축 철가루를 사용합니다. HCM0503V2-R68-R은 680nH, 8mΩ DCR 비차폐 인덕터로 최대 1MHz까지 작동합니다. 크기는 5.7mm × 5.4mm × 3.0mm에 불과하며, 전류 정격은 10A(I_rms)/12A(I_sat)입니다. HCM0503V2-4R7-R은 동일한 패키지 크기지만, 더 높은 유도 용량이 필요한 경우에 적합합니다. 4.7µH, 47mΩ의 비차폐 장치로 4.1A(I_rms)/6A(I_sat)로 정격되어 있습니다.

반면, HPAL 인덕터는 합금 분말을 사용하여 낮은 DCR과 높은 I_rms를 달성하는 동시에 낮은 코어 손실을 유지합니다. 이 제품군의 인덕터는 0.15μH ~ 10μH, 4.5A ~ 40A 범위로, 일부 응용 제품에서 매우 중요한 기능인 전자기(EMI) 차폐를 포함하고 있습니다. 장치의 예로는 470nH, 4.1mΩ 인덕터(정격 18A(I_rms) 및 20A(I_sat)인 HPAL1V0630-R47-R과 8.2µH, 55mΩ 인덕터(정격 5A(I_rms) 및 5.5A(I_sat))인 HPAL1V0630-8R2-R이 있습니다.

그림 3의 그래프는 HPAL1V0630-8R2-R 인덕터의 공칭 유도 용량, DC 전류 및 온도 간의 롤오프 관계를 보여줍니다.

그림 3: HPAL1V0630-8R2-R 인덕터의 롤오프 및 관련 동작 특성을 보여줍니다(이미지 출처: Eaton).

결론

최신 인덕터는 첨단 재료, 제조 기술 및 패키징을 사용하여. 권선 코일 방식의 이전 인덕터와 비교할 수 없을 정도로 발전했습니다. 소형 SMT 패키지의 고밀도, 낮은 저항의 광범위한 유도 용량 및 정격 전류, 정교하고 효율적인 초소형 고성능 전원 공급 장치 및 컨버터에 필요한 기타 여러 속성을 제공합니다.