Kaj povzroča dvig temperature v visokofrekvenčnih transformatorjih?

Dvig temperature je eden najpomembnejših toplotnih indikatorjev pri ocenjevanju visokofrekvenčnega transformatorja za stikalne napajalnike. Transformator lahko izpolnjuje zahteve glede napetosti, toka in izolacije med električnim testiranjem, vendar lahko čezmerno povišanje temperature še vedno zmanjša učinkovitost, skrajša življenjsko dobo izolacije in povzroči težave z zanesljivostjo pri-trajnih aplikacijah.

Za inženirje in nabavne skupine ključno vprašanje ni preprosto"Kako se segreje transformator?"Od kod prihaja toplota in kateri konstrukcijski parametri so odgovorni za to.

V praktičnem stikalnem napajalnem transformatorju je dvig temperature v glavnem povezan z izgubo jedra, izgubo navitja, delovno frekvenco, gostoto toka, toplotno upornostjo, konstrukcijo navitja in okoliškimi pogoji delovanja.

1. Izguba jedra je eden glavnih virov toplote

Magnetno jedro je med visoko-frekvenčnim delovanjem nenehno izpostavljeno spreminjajočemu se magnetnemu toku. Del električne energije se torej znotraj jedra pretvori v toploto.

Izguba jedra je na splošno povezana z dvema glavnima mehanizmoma:

Histerezna izguba

Izguba vrtinčnega toka

Ko se preklopna frekvenca poveča, lahko izguba jedra postane pomemben toplotni dejavnik. Razmerje ni preprosto sorazmerno s frekvenco, ker material jedra, gostota pretoka, valovna oblika in temperatura prav tako vplivajo na dejansko izgubo.

Za transformator, ki deluje na višji frekvenci, postane izbira jedra transformatorja še posebej pomembna.

Uporaba materiala jedra, ki je primeren za delovanje pri nižjih-frekvenčnih frekvencah, ne pomeni nujno, da bo zagotovil sprejemljivo delovanje pri višji frekvenci preklapljanja.

Kaj lahko zviša temperaturo jedra?

Več parametrov lahko poveča izgubo jedra:

Prevelika gostota pretoka

Višja preklopna frekvenca

Neprimeren material jedra

Visoka delovna temperatura

Nepravilno število primarnih obratov

Ne{0}}idealna oblika magnetnega valovanja

Zato zasnova transformatorja ne more temeljiti samo na razmerju moči in napetosti. Upoštevati je treba tudi magnetno delovno točko.

2. Izguba bakra povzroči dvig temperature navitja

Drugi glavni vir toplote je izguba navitja.

Osnovna izguba bakra DC se lahko izrazi kot:

Pcu=I²R

kjer:

Pcu=izguba bakra

I=tok navitja

R=odpornost navitja

To razmerje je še posebej pomembno, ker se izguba bakra hitro povečuje z naraščanjem toka.

Na primer, če se tok navitja poveča za 20 %, se teoretična izguba I²R poveča za približno 44 %, ob predpostavki, da upor ostane nespremenjen.

Zato lahko navitje, ki udobno deluje pri eni ravni obremenitve, doživi bistveno večji dvig temperature, ko transformator deluje blizu svoje največje nazivne moči.

3. Visok{1}}tok ustvarja dodatne izgube v navitju

Za visokofrekvenčni transformator izračun samo enosmernega upora ni dovolj.

Pri višjih preklopnih frekvencah porazdelitev toka znotraj prevodnika postane ne-enakomerna zaradi:

Učinek kože

Učinek bližine

AC odpornost

Učinek kože povzroči, da se visoko{0}}frekvenčni tok koncentrira proti zunanjemu območju prevodnika, namesto da bi bil enakomerno porazdeljen po celotnem-prerezu.

Učinek bližine se pojavi, ko magnetna polja iz sosednjih vodnikov spremenijo porazdelitev toka znotraj navitja.

Posledično je lahko efektivna izmenična upornost višja od enosmerne upornosti.

To pomeni, da preprosto povečanje površine prečnega-prereza bakra ne reši vedno toplotnega-visokofrekvenčnega problema. Pomembni sta tudi konstrukcija navitja in razporeditev vodnikov.

4. Gostota toka neposredno vpliva na toplotno zmogljivost

Gostota toka je še en pomemben konstrukcijski parameter.

Če skozi prevodnik z nezadostno efektivno-ploščino preseka teče preveč toka, navitje ustvari več toplote.

Za transformator po meri mora oblikovalec uravnotežiti:

Tok → velikost vodnika → prostor za navijanje → izguba bakra → dvig temperature

Povečanje velikosti prevodnika lahko zmanjša upor in izgubo bakra, vendar je razpoložljiva površina okna magnetnega jedra omejena.

To ustvari praktičen kompromis pri oblikovanju-.

Proizvajalec transformatorja mora zato upoštevati ne le zahtevani tok, ampak tudi:

Primarni tok

Sekundarni tok

Premer žice

Število vzporednih žic

Navijanje plasti

Na voljo navijalno okno

Debelina izolacije

Razporeditev navijanja

To je še posebej pomembno za kompaktne stikalne napajalne transformatorje, kjer je razpoložljiv prostor za navijanje omejen.

5. Velikost transformatorja vpliva na odvajanje toplote

Proizvodnja toplote je le polovica toplotnega problema.

Druga polovica je, kako učinkovito lahko transformator sprosti to toploto.

Transformator z enakimi električnimi izgubami ima lahko zelo različno temperaturno-zmogljivost, odvisno od njegove fizične konstrukcije.

Pomembni dejavniki vključujejo:

Površina jedra

Dimenzije bobina

Površina navijanja

Enkapsulacijski material

Način montaže

Postavitev PCB

Pretok zraka

Temperatura okolja

Kompakten transformator ima lahko odlično električno zmogljivost, vendar manjšo površino, ki je na voljo za odvajanje toplote.

To je eden od razlogov, zakaj miniaturizacije ne bi smeli obravnavati kot preprosto zmanjšanje fizičnih dimenzij obstoječega transformatorja.

6. Izolacijski in inkapsulacijski materiali prav tako vplivajo na toplotno učinkovitost

Materiali, ki obkrožajo navitje, vplivajo na pot, po kateri toplota potuje stran od bakra.

V nekaterih konstrukcijah transformatorjev izolacijski materiali, trakovi, vretena ali polnilne mase ustvarjajo dodatno toplotno odpornost.

Za elektronski transformator, zasnovan za neprekinjeno delovanje, mora proizvajalec upoštevati tako električno izolacijo kot toplotni prenos.

Pogosto pride do kompromisa-med:

Dielektrična izolacija

Lezenje in zračnost

Mehanska zaščita

Toplotna prevodnost

Razpoložljiv prostor za navijanje

Zasnova, ki zagotavlja odlično električno izolacijo, vendar omejuje prenos toplote, lahko zahteva dodatno toplotno obravnavo.

7. Delovna frekvenca je parameter toplotne zasnove

Frekvenca vpliva tako na izgubo jedra kot na izgubo navitja, zato jo je treba upoštevati pri ocenjevanju dviga temperature transformatorja.

Povečanje preklopne frekvence lahko omogoči manjše magnetno jedro in manj obratov v nekaterih izvedbah. Vendar to ne pomeni, da višja frekvenca samodejno proizvede hladnejši transformator.

Pri višjih frekvencah se oblikovalci lahko soočijo z:

Povečana izguba jedra

Povečana izguba bakra pri AC

Večji učinek kože

Močnejši učinek bližine

Večja parazitska kapacitivnost

Težji nadzor EMI

Zato je optimalna frekvenca preklapljanja odločitev-zasnove na sistemski ravni in ne preprosta izbira "višje je boljše".

8. Pogoji obremenitve imajo velik vpliv na dvig temperature

Od transformatorja, ki deluje pri 30-odstotni obremenitvi, in tistega, ki neprekinjeno deluje pri 100-odstotni obremenitvi, ni pričakovati, da bosta imela enako toplotno obnašanje.

Za aplikacije napajalnika mora temperaturno testiranje upoštevati dejanske pogoje delovanja, vključno z:

Za aplikacije OEM je zato koristno določiti, ali bo transformator deloval neprekinjeno pri nazivni obremenitvi ali v občasnem obratovanju.

9. Temperatura okolja spremeni razpoložljivo toplotno mejo

Povišanja temperature ne bi smeli obravnavati neodvisno od temperature okolja.

Na primer, če se transformator dvigne za 50 stopinj in deluje v okolju s 25 stopinjami, bi se njegova približna temperatura navitja ali površine lahko približala:

25 stopinj + 50 stopinj=75 stopinj

Če isti transformator deluje pri 50 stopinjah okolja, se lahko ustrezna temperatura približa:

50 stopinj + 50 stopinj=100 stopinj

Sam dvig temperature je lahko podoben, vendar je absolutna delovna temperatura zelo različna.

To je še posebej pomembno za opremo, nameščeno znotraj:

Industrijske krmilne omare

Oprema za polnjenje električnih vozil

PV pretvorniki

Sistemi za shranjevanje energije

Avtomobilska elektronika

Medicinski napajalniki

Zaprta zabavna elektronika

Za te aplikacije je treba transformator ovrednotiti glede na dejanske pogoje okolja in ohišja in ne le na temperaturo laboratorijske sobe.

10. Razporeditev navijanja lahko bistveno spremeni

Struktura navitja vpliva tako na električno zmogljivost kot na toplotno obnašanje.

Na primer, različne ureditve navijanja se lahko spremenijo:

Induktivnost puščanja

Medprevijalna kapacitivnost

AC odpornost

Prenos toplote

Izolacijska razdalja

Razpoložljivo območje bakra

Slabo urejeno navitje lahko ustvari lokalne vroče točke, tudi če je povprečna temperatura transformatorja sprejemljiva.

Za visokofrekvenčni transformator po meri je treba konstrukcijo navitja upoštevati skupaj z električnimi zahtevami.

Glede na uporabo lahko proizvajalec oceni:

Plastno navijanje

Sekcijsko navijanje

Vzporedni vodniki

Litz žica

Primarna/sekundarna ureditev

Prepleteno navijanje

Izolacijski sistem

Ustrezna rešitev je odvisna od delovne frekvence, toka, napetosti, zahtev glede izolacije in fizičnih omejitev.

11. Kako proizvajalci nadzorujejo dvig temperature

Zanesljiv proizvajalec visokofrekvenčnih transformatorjev ne rešuje dviga temperature z enim samim parametrom.

Toplotna učinkovitost se običajno obravnava z več oblikovalskimi odločitvami.

Izbira jedra

Izberite magnetni material in velikost jedra, ki ustreza delovni frekvenci, moči in gostoti pretoka.

Primarni zavoji

Število primarnih ovojev mora ohranjati ustrezno gostoto magnetnega pretoka pod dejansko vhodno-napetostjo in preklopnimi pogoji.

Oblikovanje navijanja

Izberite velikost vodnika in konfiguracijo navitja glede na RMS tok in visoko{0}}frekvenčne učinke in ne le na enosmerni upor.

Optimizacija izgube

Zmanjšajte nepotrebne izgube jedra in bakra z ustrezno izbiro materiala in konstrukcijo navitij.

Termalna pot

Razmislite, kako se toplota premika od jedra in navitja do vretenca, tiskanega vezja, ohišja in zraka v okolici.

Operativna marža

Načrtovanje natančno na teoretični meji pušča malo prostora za variacije vhodne napetosti, obremenitve, temperature okolice, proizvodnih toleranc in dejanskih pogojev uporabe.

12. Dvig temperature je treba preizkusiti v realnih pogojih

Za OEM in industrijske aplikacije morajo biti teoretični izračuni podprti z dejanskim testiranjem.

Tipična ocena lahko vključuje:

Delovanje transformatorja pri določeni vhodni napetosti.

Uporaba zahtevane preklopne frekvence.

Nalaganje sekundarja na določeno izhodno moč.

Omogoča transformatorju, da doseže toplotno ravnovesje.

Merjenje temperature navitja, jedra ali površine.

Primerjava izmerjene temperature z določeno toplotno mejo.

Nastavitev testa je pomembna.

Na primer, transformator, nameščen na odprti laboratorijski napravi, lahko odvaja toploto drugače kot isti transformator, nameščen znotraj kompaktnega sklopa PCB.

Zato morajo kupci proizvajalcu zagotoviti dejanske pogoje uporabe, kadar koli je to mogoče.

13. Katere informacije morajo kupci zagotoviti za toplotno zasnovo?

Ko od proizvajalca transformatorjev po meri zahtevajo razvoj visokofrekvenčnega transformatorja, morajo kupci zagotoviti več kot vhodno in izhodno napetost.

Naslednje informacije lahko znatno izboljšajo toplotno zasnovo:

Te informacije proizvajalcu omogočajo, da transformator oceni kot del celotnega-sistema za pretvorbo moči, namesto da ga obravnava kot izolirano magnetno komponento.

14. Povišanje temperature je načrtno ravnovesje, ne le rezultat testa

Rezultat-zvišanja nizke temperature je dragocen, vendar ga ne bi smeli ocenjevati neodvisno.

Za visokofrekvenčni transformator je toplotna zmogljivost tesno povezana z:

Izguba jedra + izguba bakra + preklopna frekvenca + gostota toka + konstrukcija navitja + odvajanje toplote + delovno okolje

Spreminjanje enega parametra lahko vpliva na več drugih.

Na primer, povečanje preklopne frekvence lahko omogoči manjše jedro, vendar lahko posledično povečanje izgub v jedru in izmeničnem navitju povzroči novo toplotno težavo.

Podobno lahko uporaba debelejše žice zmanjša odpornost na enosmerni tok, vendar lahko poveča zahteve glede prostora za navijanje ali vpliva na parazitske značilnosti.

Cilj torej ni preprosto omogočiti, da transformator "hladi". Cilj je doseči uravnoteženo magnetno, električno, toplotno in izolacijsko zasnovo za dejansko uporabo.

Zaključek

Dvig temperature v visokofrekvenčnem transformatorju v glavnem izvira iz izgub magnetnega jedra in izgub v navitju, vendar je končna toplotna zmogljivost odvisna od veliko več kot teh dveh dejavnikov.

Material jedra, gostota pretoka, preklopna frekvenca, izbira prevodnika, struktura navitja, gostota toka, velikost transformatorja, izolacijski sistem, temperatura okolja, pretok zraka in profil obremenitve prispevajo h končni delovni temperaturi.

Za aplikacije s stikalnim napajalnikom je najboljši pristop oceniti dvig temperature med fazo načrtovanja transformatorja, namesto da poskušamo rešiti toplotne težave po dokončanju prototipa.

Pri delu s proizvajalcem visokofrekvenčnih transformatorjev po meri zagotavljanje popolnih električnih in delovnih pogojev omogoča optimizacijo zasnove transformatorja ne le za napetost in moč, temveč tudi za dolgoročno-toplotno zanesljivost.