L'augment de la temperatura és un dels indicadors tèrmics més importants a l'hora d'avaluar un transformador d'alta freqüència per canviar fonts d'alimentació. Un transformador pot complir els seus requisits de tensió, corrent i aïllament durant les proves elèctriques, però l'augment excessiu de la temperatura encara pot reduir l'eficiència, escurçar la vida útil de l'aïllament i crear problemes de fiabilitat en aplicacions de servei continu-.
Per als enginyers i els equips de compres, la pregunta clau no és simplement"A quina calor fa el transformador?"És d'on prové la calor i quins paràmetres de disseny en són responsables.
En un transformador d'alimentació de commutació pràctic, l'augment de la temperatura està relacionat principalment amb la pèrdua del nucli, la pèrdua de bobinatge, la freqüència de funcionament, la densitat de corrent, la resistència tèrmica, la construcció del bobinat i les condicions de funcionament circumdants.
1. La pèrdua del nucli és una de les principals fonts de calor
El nucli magnètic experimenta contínuament canvis de flux magnètic durant el funcionament d'alta-freqüència. Per tant, part de l'energia elèctrica es converteix en calor dins del nucli.
La pèrdua del nucli generalment s'associa amb dos mecanismes principals:
Pèrdua d'histèresi
Pèrdua de corrent de Foucault
A mesura que augmenta la freqüència de commutació, la pèrdua del nucli pot esdevenir un factor tèrmic important. La relació no és simplement proporcional a la freqüència perquè el material del nucli, la densitat de flux, la forma d'ona i la temperatura també afecten la pèrdua real.
Per a un transformador que funciona a una freqüència més alta, la selecció del nucli del transformador esdevé especialment important.
L'ús d'un material bàsic adequat per a operacions de freqüències més baixes-no vol dir necessàriament que proporcioni un rendiment acceptable a una freqüència de commutació més alta.
Què pot augmentar la temperatura del nucli?
Diversos paràmetres poden augmentar la pèrdua del nucli:
Densitat de flux excessiva
Major freqüència de commutació
Material del nucli inadequat
Alta temperatura de funcionament
Nombre incorrecte de voltes primàries
Forma d'ona magnètica no-ideal
És per això que el disseny del transformador no es pot basar només en relacions de potència i tensió. També s'ha de tenir en compte el punt de funcionament magnètic.
2. La pèrdua de coure provoca un augment de la temperatura del bobinatge
La segona font de calor important és la pèrdua de bobinatge.
La pèrdua bàsica de coure de CC es pot expressar com:
Pcu=I²R
on:
Pcu=pèrdua de coure
I=corrent de bobinatge
R=resistència al bobinat
Aquesta relació és especialment important perquè la pèrdua de coure augmenta ràpidament a mesura que augmenta el corrent.
Per exemple, si el corrent del bobinat augmenta un 20%, la pèrdua teòrica d'I²R augmenta aproximadament un 44%, suposant que la resistència es manté sense canvis.
Per tant, un bobinatge que funciona còmodament a un nivell de càrrega pot experimentar un augment de temperatura substancialment més gran quan el transformador funciona a prop de la seva potència nominal màxima.
3. El corrent d'alta -freqüència crea una pèrdua de bobinatge addicional
Per a un transformador d'alta freqüència, calcular només la resistència de CC no és suficient.
A freqüències de commutació més altes, la distribució de corrent a l'interior del conductor no es -uniforme a causa de:
Efecte pell
Efecte de proximitat
Resistència CA
L'efecte de la pell fa que el corrent d'alta-freqüència es concentri cap a la regió exterior d'un conductor en lloc de distribuir-se uniformement per tota la seva-secció transversal.
L'efecte de proximitat es produeix quan els camps magnètics dels conductors adjacents alteren la distribució del corrent dins del bobinatge.
Com a resultat, la resistència efectiva de CA pot ser superior a la resistència de CC.
Això vol dir que només augmentar l'àrea de la secció transversal-de coure no sempre resol un problema tèrmic d'alta-freqüència. La construcció del bobinatge i la disposició dels conductors també són importants.
4. La densitat de corrent afecta directament el rendiment tèrmic
La densitat de corrent és un altre paràmetre de disseny important.
Si es força massa corrent a través d'un conductor amb una -àrea de secció transversal efectiva insuficient, el bobinatge genera més calor.
Per a un transformador personalitzat, el dissenyador ha d'equilibrar:
Corrent → mida del conductor → espai de bobinatge → pèrdua de coure → augment de temperatura
L'augment de la mida del conductor pot reduir la resistència i la pèrdua de coure, però l'àrea de la finestra disponible del nucli magnètic és limitada.
Això crea un intercanvi pràctic de disseny-.
Per tant, un fabricant de transformadors ha de tenir en compte no només el corrent requerit, sinó també:
Corrent primària
Corrent secundari
Diàmetre del fil
Nombre de cables paral·lels
Capes sinuoses
Finestra sinuosa disponible
Gruix d'aïllament
Disposició sinuosa
Això és especialment important per als transformadors d'alimentació de commutació compactes, on l'espai disponible per bobinatge és limitat.
5. La mida del transformador afecta la dissipació de calor
La generació de calor és només la meitat del problema tèrmic.
L'altra meitat és l'eficiència que el transformador pot alliberar aquesta calor.
Un transformador amb les mateixes pèrdues elèctriques pot tenir un rendiment d'augment de temperatura-molt diferent en funció de la seva construcció física.
Els factors importants inclouen:
Superfície del nucli
Dimensions de la bobina
Superfície sinuosa
Material d'encapsulació
Mètode de muntatge
Disseny de PCB
Flux d'aire
Temperatura ambient
Un transformador compacte pot tenir un rendiment elèctric excel·lent però menys superfície disponible per a la dissipació de calor.
Aquesta és una de les raons per les quals la miniaturització no s'ha de tractar com una simple reducció de les dimensions físiques d'un transformador existent.
6. Els materials d'aïllament i d'encapsulació també afecten el rendiment tèrmic
Els materials que envolten el bobinatge influeixen en el camí pel qual la calor s'allunya del coure.
En algunes construccions de transformadors, els materials d'aïllament, les cintes, les bobines o els compostos d'envasos creen una resistència tèrmica addicional.
Per a un transformador electrònic dissenyat per a un funcionament continu, el fabricant ha de tenir en compte tant l'aïllament elèctric com la transferència tèrmica.
Sovint hi ha un intercanvi-entre:
Aïllament dielèctric
Fluig i despatx
Protecció mecànica
Conductivitat tèrmica
Espai sinuós disponible
Un disseny que ofereix un aïllament elèctric excel·lent però restringeix la transferència de calor pot requerir una consideració tèrmica addicional.
7. La freqüència de funcionament és un paràmetre de disseny tèrmic
La freqüència afecta tant la pèrdua de nucli com la pèrdua de bobinatge, per la qual cosa s'ha de tenir en compte a l'hora d'avaluar l'augment de la temperatura del transformador.
L'augment de la freqüència de commutació pot permetre un nucli magnètic més petit i menys girs en alguns dissenys. Tanmateix, això no vol dir que una freqüència més alta produeixi automàticament un transformador més fresc.
A freqüències més altes, els dissenyadors poden enfrontar-se a:
Augment de la pèrdua del nucli
Augment de la pèrdua de coure de CA
Major efecte de la pell
Efecte de proximitat més fort
Major capacitat parasitària
Control EMI més difícil
Per tant, la freqüència de commutació òptima és una decisió de disseny-a nivell del sistema en lloc d'una simple elecció "més alt és millor".
8. Les condicions de càrrega tenen un impacte important en l'augment de la temperatura
No s'ha d'esperar que un transformador que funcioni amb una càrrega del 30% i un que funcioni contínuament amb una càrrega del 100% tingui el mateix comportament tèrmic.
Per a aplicacions d'alimentació, les proves de temperatura haurien de tenir en compte les condicions reals de funcionament, incloses:
| Condició de funcionament | Impacte tèrmic |
|---|---|
| Baixa càrrega | Menor pèrdues de bobinatge i nucli |
| Càrrega nominal | Condició tèrmica de disseny normal |
| Sobrecàrrega | Augment ràpid de la pèrdua de bobinatge |
| Càrrega completa contínua | Important per a la temperatura en estat estacionari- |
| Alta temperatura ambient | Marge tèrmic reduït |
| Flux d'aire deficient | Dissipació de calor més lenta |
| Alta freqüència de commutació | Pèrdues magnètiques i de bobinat de CA potencialment més altes |
Per a aplicacions OEM, per tant, és útil especificar si el transformador funcionarà contínuament amb càrrega nominal o amb servei intermitent.
9. La temperatura ambient canvia el marge tèrmic disponible
L'augment de la temperatura no s'ha de considerar independentment de la temperatura ambient.
Per exemple, si un transformador té un augment de temperatura de 50 graus i funciona en un entorn ambiental de 25 graus, la seva temperatura aproximada del bobinatge o de la superfície podria aproximar-se:
25 graus + 50 graus=75 graus
Si el mateix transformador funciona en un entorn ambiental de 50 graus, la temperatura corresponent podria aproximar-se a:
50 graus + 50 graus=100 graus
L'augment de la temperatura en si pot ser similar, però la temperatura de funcionament absoluta és molt diferent.
Això és especialment important per als equips instal·lats a l'interior:
Armaris de control industrials
Equip de càrrega de vehicles elèctrics
Inversors fotovoltaics
Sistemes d'emmagatzematge d'energia
Electrònica de l'automòbil
Fonts d'alimentació mèdica
Electrònica de consum tancada
Per a aquestes aplicacions, el transformador s'ha d'avaluar d'acord amb les condicions reals de l'ambient i del recinte en lloc de la temperatura de l'habitació del laboratori.
10. L'arranjament sinuós pot fer una diferència significativa
L'estructura de bobinatge afecta tant el rendiment elèctric com el comportament tèrmic.
Per exemple, diferents arranjaments de bobinatge poden canviar:
Inductància de fuga
Capacitat d'entrellaçament
Resistència CA
Transferència de calor
Distància d'aïllament
Zona de coure disponible
Un bobinatge mal disposat pot crear punts calents locals fins i tot quan la temperatura mitjana del transformador sembla acceptable.
Per a un transformador d'alta freqüència personalitzat, la construcció de bobinatge, per tant, s'ha de considerar juntament amb els requisits elèctrics.
Depenent de l'aplicació, el fabricant pot avaluar:
Enrotllament de capa
Enrotllament seccional
Conductors paral·lels
Fil Litz
Disposició primària/secundària
Enrotllament intercalat
Sistema d'aïllament
La solució adequada depèn de la freqüència de funcionament, el corrent, la tensió, els requisits d'aïllament i les limitacions físiques.
11. Com els fabricants controlen l'augment de la temperatura
Un fabricant fiable de transformadors d'alta freqüència no resol l'augment de temperatura amb un sol paràmetre.
El rendiment tèrmic normalment s'aborda mitjançant diverses decisions de disseny.
Selecció bàsica
Trieu un material magnètic i una mida del nucli adequats per a la freqüència de funcionament, la potència i la densitat de flux.
Torns de Primària
El nombre de voltes primàries ha de mantenir una densitat de flux magnètic adequada sota la tensió d'entrada-real i les condicions de commutació.
Disseny de bobinatge
Seleccioneu la mida del conductor i la configuració del bobinat segons el corrent RMS i els efectes d'alta-freqüència en lloc de només la resistència de CC.
Optimització de pèrdues
Reduïu les pèrdues de coure i nuclis innecessàries mitjançant la selecció de materials i la construcció de bobinats adequades.
Ruta Termal
Considereu com la calor es mou des del nucli i l'enrotllament cap a la bobina, la PCB, el recinte i l'aire circumdant.
Marge d'explotació
Dissenyar exactament al límit teòric deixa poc marge per a variacions en la tensió d'entrada, la càrrega, la temperatura ambient, les toleràncies de fabricació i les condicions reals d'aplicació.
12. L'augment de la temperatura s'ha de provar en condicions realistes
Per a aplicacions OEM i industrials, els càlculs teòrics s'han de recolzar amb proves reals.
Una avaluació típica pot incloure:
Funcionament del transformador a la tensió d'entrada especificada.
Aplicant la freqüència de commutació requerida.
Carregant el secundari a la potència de sortida especificada.
Permetre que el transformador assoleixi l'equilibri tèrmic.
Mesura de la temperatura del bobinatge, del nucli o de la superfície.
Comparació de la temperatura mesurada amb el límit tèrmic especificat.
La configuració de la prova és important.
Per exemple, un transformador muntat en un dispositiu de laboratori obert pot dissipar la calor de manera diferent del mateix transformador instal·lat dins d'un conjunt de PCB compacte.
És per això que els clients haurien de proporcionar al fabricant les condicions reals d'aplicació sempre que sigui possible.
13. Quina informació han de proporcionar els compradors per al disseny tèrmic?
Quan sol·liciteu un fabricant de transformadors personalitzats per desenvolupar un transformador d'alta freqüència, els compradors haurien de proporcionar més que la tensió d'entrada i sortida.
La informació següent pot millorar significativament el disseny tèrmic:
| Paràmetre | Informació recomanada |
|---|---|
| Tensió d'entrada | Nominal i mínim/màxim |
| Tensió de sortida | Tensió secundària necessària |
| Corrent de sortida | Corrent contínua i punta |
| Potència de sortida | Potència nominal |
| Freqüència de commutació | Freqüència de funcionament |
| Topologia del convertidor | Vol enrere, endavant, mig-pont,-pont complet, etc. |
| Cicle de treball | Interval de funcionament normal |
| Temperatura ambient | Mínim i màxim |
| Deure | Continu o intermitent |
| Instal·lació | PCB, carcassa, xassís, etc. |
| Refrigeració | Convecció natural o flux d'aire forçat |
| Limitació de mida | Mides màximes disponibles |
| Aïllament | Nivell d'aïllament requerit |
| Quantitat | Requisits de prototip i-producció massiva |
Aquesta informació permet al fabricant avaluar el transformador com a part del sistema de conversió-de potència complet en lloc de tractar-lo com un component magnètic aïllat.
14. L'augment de la temperatura és un equilibri de disseny, no només un resultat de la prova
Un resultat d'augment-de baixa temperatura és valuós, però no s'ha d'avaluar de manera independent.
Per a un transformador d'alta freqüència, el rendiment tèrmic està estretament relacionat amb:
Pèrdua de nucli + pèrdua de coure + freqüència de commutació + densitat de corrent + construcció de bobinatge + dissipació de calor + entorn operatiu
Canviar un paràmetre pot afectar a diversos altres.
Per exemple, augmentar la freqüència de commutació pot permetre un nucli més petit, però l'augment resultant de les pèrdues del nucli i del bobinatge de CA pot crear un nou problema tèrmic.
De la mateixa manera, l'ús de cables més gruixuts pot reduir la resistència de corrent continu, però pot augmentar els requisits d'espai de bobinatge o afectar les característiques paràsites.
Per tant, l'objectiu no és simplement fer que un transformador "funcioni fresc". L'objectiu és aconseguir un disseny equilibrat magnètic, elèctric, tèrmic i d'aïllament per a l'aplicació real.
Conclusió
L'augment de temperatura en un transformador d'alta freqüència prové principalment de pèrdues de nucli magnètic i pèrdues de bobinatge, però el rendiment tèrmic final depèn de molt més que aquests dos factors.
El material del nucli, la densitat de flux, la freqüència de commutació, la selecció del conductor, l'estructura del bobinat, la densitat de corrent, la mida del transformador, el sistema d'aïllament, la temperatura ambient, el flux d'aire i el perfil de càrrega contribueixen a la temperatura de funcionament final.
Per a aplicacions d'alimentació de commutació, el millor enfocament és avaluar l'augment de la temperatura durant l'etapa de disseny del transformador en lloc d'intentar resoldre problemes tèrmics un cop finalitzat el prototip.
Quan es treballa amb un fabricant de transformadors d'alta freqüència personalitzat, proporcionar condicions elèctriques i de funcionament completes permet optimitzar el disseny del transformador no només per a la tensió i la potència, sinó també per a la fiabilitat tèrmica-a llarg termini.