Arten von Transformatoren für Anwendungen in der Leistungselektronik

Jedes Stromsystem, das eine präzise Umwandlung, Regelung und Sicherheit durch Isolation erfordert, wird Transformatoren als Kopplungselemente für die Leistung verwenden. Bevor man sich mit der Entwicklung eines Stromumwandlungssystems beschäftigt hat, hat man wahrscheinlich nicht tiefgehend die verschiedenen Arten von Transformatoren betrachtet, die für diese Geräte verfügbar sind. Sowohl AC-DC- als auch DC-DC-Schaltwandler nutzen Transformatoren, um eine galvanisch isolierte Stromumwandlung zu ermöglichen und gleichzeitig Sicherheit zu gewährleisten, aber dies erfordert die Auswahl des richtigen Transformators, der die Leistungs- und Sicherheitsanforderungen des Systems bewältigen kann.

In diesem Artikel werden wir uns einige Eigenschaften der gängigen Arten von Transformatoren ansehen, die in der Leistungselektronik verwendet werden, insbesondere platinenmontierte Transformatoren für AC-DC- und DC-DC-Umwandlung. Neben den grundlegenden Arten von Transformatoren werden wir uns einige der wichtigsten Spezifikationen dieser Komponenten ansehen, da diese die Anwendbarkeit für einen bestimmten Transformator einschränken werden. Schließlich, wenn Sie keinen Transformator von der Stange für Ihr System finden können, müssen Sie einen Transformator für Ihr System entwickeln.

Gängige Arten von Transformatoren und Spezifikationen

Transformatoren sind induktive Komponenten mit einem magnetischen Kernmaterial, deren Hauptfunktion es ist, ein Eingangssignal in ein Ausgangssignal bei (idealerweise) einer anderen Spannung/Stromstärke umzuwandeln, abhängig vom Windungsverhältnis der Primär- und Sekundärspulen. Trotz ihrer scheinbar einfachen Konstruktion sind Transformatoren komplexe Komponenten, die viele wichtige Spezifikationen haben.

Wichtige Transformatorspezifikationen

Unterschiedliche Arten von Transformatoren und Anwendungen legen den Schwerpunkt auf bestimmte Spezifikationen. Einige der wichtigsten Transformatorspezifikationen umfassen:

DC-Wicklungswiderstand - Der Wicklungswiderstand beeinflusst, wie sich magnetische Komponenten während des Betriebs erwärmen, insbesondere in Hochleistungsumwandlungssystemen, wo viel Leistung als Joulesche Wärme verloren gehen kann.

Schaltfrequenzgrenze - Bei der Verwendung in der Leistungsumwandlung und -regelung haben Transformatoren eine bestimmte Schaltfrequenzgrenze, die durch ihre Parasiten und durchschnittlichen Leistungsfähigkeiten bestimmt wird. Typische Werte für Hochstrom-Planarmagnete liegen in der Größenordnung von 100 kHz bis 1 MHz. Es kann auch eine Tastverhältnisgrenze geben, da dies die durchschnittliche Leistungsabgabe bestimmt.

Wicklungskapazitäten - Die Kapazität zwischen den Wicklungen und die Kapazität innerhalb einer Wicklung bestimmen, wie Rauschen über die Transformatorspulen gekoppelt werden kann, sowie wie ein ESD-Impuls durch die Spulen propagieren könnte. Es bestimmt auch die Grenzen der Schaltfrequenzen in Leistungsreglern; niedrigere Kapazitäten entsprechen höheren Schaltfrequenzgrenzen.

Streuleistung - Dies ist der primäre Mechanismus, durch den die Stärke des Magnetfelds während des Betriebs reduziert wird. Das Magnetfeld wird nicht vollständig in der Spule einer magnetischen Komponente eingeschlossen sein, sodass es eine unvollkommene Übertragung des magnetischen Flusses zwischen den Primär- und Sekundärspulen geben wird.

Pri-sec Isolation - Die Isolation zwischen den Spulen wird als Spannungswert (entweder gepulst oder Gleichstrom) angegeben. Dies ist ein Maß für den Durchschlagwiderstand zwischen den Spulen. Die Isolationsspannung kann bei einigen Transformatoren kV-Niveaus erreichen. Dies ist wichtig für die Sicherheit in isolierten Stromsystemen, da dies das Niveau der galvanischen Isolation bestimmt, das die Komponente bieten kann.

Montagestil - Zu den Montagemethoden auf der Platine gehören Tab-Montage, SMD-Platzierung oder Durchsteckmontage. Der Montagestil bestimmt die Fähigkeit eines Transformators, mechanischen Vibrationen während des Betriebs standzuhalten.

Kühlungsmethode - Einige Transformatoren, wie planare Transformatoren, können aufgrund ihrer Kompaktheit schwer durch erzwungene Luftströmung gekühlt werden. Eine Kühlungsmethode kann angegeben werden, damit die Wärme durch das Gehäuse in einen Kühlkörper oder in die Platine abgeleitet werden kann. Einige Transformatoren können direkt an ein Gehäuse montiert werden, um maximale Wärmeableitung zu bieten.

Insgesamt bestimmen diese Spezifikationen die Spannungs- und Strombegrenzungen, die der Komponente auferlegt werden. Sie begrenzen auch die Anwendbarkeit des Transformators auf spezifische Designs, daher kategorisieren wir verschiedene Arten von Transformatoren basierend auf der elektrischen Anwendung anstatt auf Leistungsniveaus. Diese Punkte, sowie die Isolationsbewertung, sollten mit Sicherheitsvorschriften oder Industriestandards verglichen werden, um sicherzustellen, dass ein Design Sicherheitsziele erreichen kann.

Arten von Transformatoren

Die Konstruktion, Verpackung und Geometrie eines Transformators bestimmen, wie er kategorisiert wird. Verschiedene Arten von Transformatoren haben unterschiedliche Betriebseigenschaften sowie Konstruktionen (z.B. Spartransformatoren). Die meisten Transformatoren sind Kern- oder Manteltypen, wie in der Grafik unten gezeigt. Dies bestimmt ihr Niveau der UL-Konformität sowie ihren Betrieb bei höheren Frequenzen.

Leistungstransformatoren

Technisch gesehen wandeln alle Transformatoren Leistung um, aber Leistungstransformatoren sind speziell für die Umwandlung von Netzstrom konzipiert. Diese Transformatoren sind darauf ausgelegt, eine hocheffiziente Leistungsumwandlung zwischen Eingangsspannungsebenen zu bieten. Diese Komponenten werden hauptsächlich in der AC-AC-Leistungsumwandlung (einphasig oder dreiphasig) bei Netzfrequenzen verwendet, mit Leistungsbewertungen, die Hunderte von VA oder kVA erreichen. Die Frequenzgrenzen sind für diese Komponenten niedrig, da sie nicht bei den Schaltfrequenzen betrieben werden müssen, die in DC-DC-Wandlern zu finden sind.

Aufgrund der niedrigen Frequenzen könnte Lärm oder ESD über die Lücke im Transformator gekoppelt werden, sodass die Isolation bei hohen Frequenzen niedrig sein kann. Eine Möglichkeit, dies zu überwinden, ist die Verbindung der Masseebenen auf jeder Seite der Primär- und Sekundärspulen mit einem Sicherheitskondensator (normalerweise vom Typ Y), wobei die Kapazität größer ist als die parasitären Kapazitäten des Transformators. Dies leitet den Lärm von empfindlichen Schaltungen weg und zurück zu einer GND-Verbindung Ihrer Wahl, indem ein niederohmiger Strompfad erstellt wird, wie dies jedoch bei großen GND-Rauschströmen eine Sicherheitsgefahr am GND-Anschluss eines Netzteils darstellen kann.

Geschirmter Transformator

Ein abgeschirmter Transformator hat eine größere Isolation, da das Kernmaterial und die Verpackung zusätzlichen Schutz gegen HF-Störungen bieten. Insbesondere wird damit das Hochfrequenzrauschen von der Primärseite (wie vom Netzstrom) angesprochen und versucht, dessen Übertragung auf die Sekundärseite über die parasitären Komponenten des Bauteils zu verhindern. Die Verpackung verhindert auch eine größere Übertragung von Stoß-/Impulsspannungen über die Wicklungskapazität.

Isolationstransformatoren

Alle Transformatoren bieten Isolation, aber ein Isolationstransformator soll sehr hohe Isolationswerte für Aufgaben mit geringer Leistung und mäßiger Datentransfergeschwindigkeit bieten. Sie eignen sich auch gut für Niederspannungsstromversorgungen in kommerziellen und industriellen Stromsystemen. Einige der Strom- und Datenanwendungen, bei denen ein Isolationstransformator verwendet wird, umfassen:

• Isolierte serielle Datenschnittstellen (RS-485, RS-422 und RS-232)

• Isolierte CAN-Schnittstellen

• Isolierte 4 – 20 mA AC-Stromschleifen

• Aktuatoren und Transducer

• Isolierte DAQ-Kartensysteme

• Weitere isolierte Bus-Schnittstellen

• Leistungsumwandlung bei Standardspannungen (24 V, 48 V usw.)

Die Isolation in diesen Anwendungen soll empfindliche Geräte vor Störungen und ESD schützen. Es handelt sich typischerweise um Anwendungen mit geringerem Strom, sodass Sicherheit weniger ein Anliegen ist, obwohl Isolationstransformatoren Sicherheit für alle Benutzer bieten, die mit Geräten interagieren.

Schalttransformatoren

Diese Geräte sind für den Einsatz in AC-DC- oder DC-DC-Wandlern konzipiert, die mit kHz-Schaltfrequenzen arbeiten, wie Flyback-Wandler. Tatsächlich werden Schalttransformatoren als Flyback-Transformatoren, LLC-Transformatoren oder möglicherweise unter einem anderen Namen klassifiziert, basierend auf der Schaltung, in der sie verwendet werden. Die Schaltfrequenz dieser Komponenten wird durch ihre Spuleninduktivität, Streuinduktivität und Parasiten begrenzt.

Zusätzlich ist die Spuleninduktivität bei Resonanzwandlern wichtig, da die Magnetisierungsinduktivität die Fähigkeit des Wandlers bestimmt, entweder als Buck- oder Boost-Wandler zu funktionieren. Diese Fähigkeit macht isolierte LLC-Resonanzwandler sehr nützlich, wenn eine hohe Präzision neben einer hohen Leistungsabgabe benötigt wird. Einige Anwendungen, die isolierte Brückentopologien verwenden, werden in Schnellladeanwendungen, wie bei Elektrofahrzeugen, immer beliebter.

RF-Transformatoren und Audio-Transformatoren

Diese Komponenten werden normalerweise nicht zusammengefasst, erfüllen jedoch ähnliche Funktionen. Diese Transformatoren bieten Leistungsumwandlung für sinusförmige oder modulierte Signale, genau wie andere Transformatoren. Ihre weitere Funktion ist die Impedanzanpassung an Ein- und/oder Ausgangsports am Gerät. Der Hauptunterschied zwischen diesen Komponenten ist ihre Frequenzbewertung; Audio-Transformatoren sind offensichtlich auf Audiofrequenzen begrenzt, während RF-Transformatoren eine Bandbreite von bis zu etwa 10 GHz erreichen können. Diese Komponenten sind auch als Balun-RF-Transformatoren verfügbar.

Autotransformator

Diese Art von Transformator hat elektrisch verbundene Primär- und Sekundärwicklungen, wobei die beiden durch einen Anzapfpunkt entlang des Körpers der verbundenen Spule getrennt sind. Technisch gesehen könnten alle oben genannten Arten von Transformatoren als Spartransformatoren konstruiert werden, aber normalerweise werden diese für die Leistungsumwandlung verwendet (als „Leistungs-Spartransformator“ bezeichnet). Im Vergleich zu typischen Kern- und Manteltransformatoren bietet ein Spartransformator eine stärkere Kopplung und hat geringere Streuverluste. Für ein gegebenes Umwandlungsniveau und Induktivität kosten sie im Allgemeinen weniger und wiegen weniger.

Leistungselektronik entwickelt sich weiter

Im Jahr 2021, als mehr Investitionskapital in innovative Technologieunternehmen geflossen ist und Elektrofahrzeuge zur Norm zu werden scheinen, bewegt sich die Branche in Richtung einer größeren Elektrifizierung und effizienten Energieübertragung auf allen Ebenen. Stromumwandlungssysteme für diese Anwendungen müssen hohe Ströme bei moderaten Spannungen liefern und gleichzeitig eine Isolation bieten, was genau die Stärke von Transformatoren ist. Isolierte Stromsysteme, die eine präzise Regelung und eine hocheffiziente Stromumwandlung bieten, können von einigen dieser zusätzlichen Komponenten profitieren:

• Fortgeschrittene FETs als Schaltelemente

• Strommessverstärker für die Regelung in Rückkopplungsschleifen

• Gate-Treiber-ICs für das Ansteuern von Schaltelementen

Leider ist für einige Stromsysteme möglicherweise kein standardmäßiger Transformator von der Stange für jedes Design verfügbar, und ein Designer muss mit einem Auftragsfertiger zusammenarbeiten, um kundenspezifische Transformatoren herzustellen. Viele Referenzdesigns für Stromprodukte könnten kundenspezifische Transformatoren verwenden, oder sie empfehlen ein Standard-Kernmaterial und eine Spulenform. Diese Optionen von der Stange können immer noch mit einem automatisierten Wickelprozess montiert werden, oder es kann eine kundenspezifische Wicklung für neuartige Stromsysteme entwickelt werden.

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