Tipos de Transformadores para Aplicaciones de Electrónica de Potencia

Cualquier sistema de alimentación que requiera una conversión precisa, regulación y seguridad a través del aislamiento utilizará transformadores como elementos de acoplamiento de potencia. Hasta que hayas tenido que diseñar un sistema de conversión de energía, probablemente no hayas examinado detenidamente los diferentes tipos de transformadores disponibles para estos dispositivos. Tanto los convertidores de conmutación AC-DC como DC-DC utilizan transformadores para proporcionar una conversión de potencia galvánicamente aislada garantizando seguridad, pero esto requiere seleccionar el transformador correcto que pueda manejar la potencia y las demandas de seguridad del sistema.

En este artículo, veremos algunas características de los tipos comunes de transformadores utilizados en la electrónica de potencia, particularmente transformadores montados en placa para la conversión AC-DC y DC-DC. Además de los tipos básicos de transformadores, examinaremos algunas de las principales especificaciones de estos componentes ya que estas limitarán la aplicabilidad para un transformador dado. Finalmente, si no puedes encontrar un transformador estándar para tu sistema, entonces necesitarás diseñar un transformador para tu sistema.

Tipos Comunes de Transformadores y Especificaciones

Los transformadores son componentes inductivos con un material de núcleo magnético cuya función principal es convertir una señal de entrada en una salida a (idealmente) un voltaje/corriente diferente dependiendo de la relación de vueltas de las bobinas primaria y secundaria. A pesar de su aparentemente simple construcción, los transformadores son componentes complejos que tienen muchas especificaciones importantes.

Especificaciones Importantes de Transformadores

Diferentes tipos de transformadores y aplicaciones pondrán mayor énfasis en ciertas especificaciones. Algunas de las principales especificaciones de transformadores incluyen:

Resistencia de bobinado DC - La resistencia de bobinado influye en cómo los componentes magnéticos se calentarán durante la operación, particularmente en sistemas de conversión de alta potencia donde se puede perder mucha energía como calor de Joule.

Límite de frecuencia de conmutación - Cuando se utilizan en conversión y regulación de potencia, los transformadores tendrán algún límite de frecuencia de conmutación que está determinado por sus parásitos y capacidades promedio de manejo de potencia. Los valores típicos para magnéticos planares de alta corriente están en el orden de 100 kHz a 1 MHz. También puede haber un límite de ciclo de trabajo ya que esto determinará la disipación promedio de potencia.

Capacitancias de bobinado - La capacitancia entre bobinados y la capacitancia dentro de un mismo bobinado determinarán cómo el ruido puede acoplarse a través de las bobinas del transformador, así como cómo un pulso ESD podría propagarse a través de las bobinas. También determina los límites de las frecuencias de conmutación en reguladores de potencia; capacitancias más bajas corresponden a límites de frecuencia de conmutación más altos.

Inductancia de fuga - Este es el mecanismo principal por el cual la fuerza del campo magnético se reducirá durante la operación. El campo magnético no estará completamente confinado en la bobina de un componente magnético, por lo que habrá una transferencia imperfecta de flujo magnético entre las bobinas primaria y secundaria.

Aislamiento primario-secundario - El aislamiento entre bobinas se indica como un valor de voltaje (ya sea pulsado o DC). Esta es una medida de la resistencia al desglose entre las bobinas. El voltaje de aislamiento puede alcanzar niveles de kV en algunos transformadores. Esto es importante para la seguridad en sistemas de potencia aislados ya que determinará el nivel de aislamiento galvánico que el componente puede proporcionar.

Estilo de montaje - Los métodos de montaje en placa incluyen montaje con pestañas, colocación SMD o montaje a través de orificio. El estilo de montaje determinará la capacidad de un transformador para resistir la vibración mecánica durante la operación.

Método de enfriamiento - Algunos transformadores, como los transformadores planares, pueden ser difíciles de enfriar mediante flujo de aire forzado debido a su compactibilidad. Se puede especificar un método de enfriamiento para que el calor se disipe a través del paquete hacia un disipador de calor o hacia la placa. Algunos transformadores se pueden montar directamente en una carcasa para proporcionar la máxima disipación de calor.

En total, estas especificaciones determinarán las limitaciones de voltaje y corriente impuestas al componente. También limitarán la aplicabilidad del transformador a diseños específicos, por lo tanto, clasificamos diferentes tipos de transformadores basados en la aplicación eléctrica en lugar de los niveles de potencia. Estos puntos, así como la calificación de aislamiento, deben compararse con regulaciones de seguridad o normas industriales para asegurar que un diseño pueda cumplir con los objetivos de seguridad.

Tipos de Transformadores

La construcción, el empaquetado y la geometría de un transformador determinarán cómo se clasifica. Diferentes tipos de transformadores tendrán diferentes características operativas así como construcción (por ejemplo, autotransformadores). La mayoría de los transformadores son de tipo núcleo o de tipo carcasa, como se muestra en el gráfico a continuación. Esto determinará su nivel de cumplimiento con UL, así como su operación a frecuencias más altas.

Transformadores de Potencia

Técnicamente todos los transformadores convertirán potencia, pero los transformadores de potencia están específicamente diseñados para la conversión de potencia de red. Estos transformadores están diseñados para proporcionar una conversión de potencia de alta eficiencia entre niveles de voltaje de entrada. Estos componentes se utilizan principalmente en la conversión de potencia AC-AC (monofásica o trifásica) a frecuencias de línea con clasificaciones que alcanzan cientos de VA o niveles de kVA. Los límites de frecuencia son bajos para estos componentes ya que no necesitan operar a las frecuencias de conmutación encontradas en los convertidores DC-DC.

Debido a las bajas frecuencias, el ruido o ESD podría acoplarse a través del espacio en el transformador, por lo que el aislamiento puede ser bajo a altas frecuencias. Una forma de superar esto es unir los planos de tierra de cada lado de las bobinas primaria y secundaria con un capacitor de seguridad (generalmente de tipo Y), donde la capacitancia es mayor que las capacitancias parásitas del transformador. Esto dirige el ruido lejos de los circuitos sensibles y de vuelta a una conexión GND de su elección creando una trayectoria de corriente de baja impedancia, cómo esto puede crear un peligro de seguridad en el terminal GND de una fuente de alimentación si las corrientes de ruido GND son grandes.

Transformador Blindado

Un transformador blindado tiene mayor aislamiento ya que el material del núcleo y el embalaje proporcionan un blindaje adicional contra el ruido RF. Específicamente, esto aborda el ruido de alta frecuencia del lado primario (como el de la alimentación principal) e intenta evitar que pase al lado secundario a través de los parásitos del componente. El embalaje también evita una mayor transferencia de voltajes de sobretensión/impulso a través de la capacitancia entre bobinados.

Transformadores de Aislamiento

Todos los transformadores proporcionan aislamiento, pero un transformador de aislamiento está destinado a proporcionar valores de aislamiento muy altos para tareas de transferencia de datos de baja potencia y velocidad moderada. También son adecuados para fuentes de alimentación de baja tensión en sistemas de energía comerciales e industriales. Algunas de las aplicaciones de energía y datos donde se utilizará un transformador de aislamiento incluyen:

• Interfaces de datos seriales aislados (RS-485, RS-422 y RS-232)

• Interfaces CAN aisladas

• Bucles de corriente CA aislados de 4 – 20 mA

• Actuadores y transductores

• Sistemas de tarjetas DAQ aislados DAQ card systems

• Otras interfaces de bus aisladas

• Conversión de baja potencia a voltajes estándar (24 V, 48 V, etc.)

El aislamiento en estas aplicaciones tiene como objetivo proteger equipos sensibles del ruido y ESD. Estas son aplicaciones de corriente más baja, por lo que la seguridad es menos una consideración, aunque los transformadores de aislamiento sí proporcionan seguridad para cualquier usuario que interactúe con el equipo.

Transformadores de Conmutación

Estos dispositivos están diseñados para su uso en convertidores AC-DC o DC-DC que operan alrededor de frecuencias de conmutación de kHz, como los convertidores flyback. De hecho, los transformadores de conmutación se subclasifican como transformadores flyback, transformadores LLC, o posiblemente algún otro nombre basado en el circuito en el que se utilizará. La frecuencia de conmutación de estos componentes estará limitada por su inductancia de bobina, inductancia de fuga y parásitos.

Además, la inductancia de la bobina es importante en convertidores resonantes ya que la inductancia de magnetización determinará la capacidad del convertidor para funcionar como un convertidor reductor o elevador. Esta capacidad hace que los convertidores resonantes LLC aislados sean muy útiles cuando se necesita un seguimiento de alta precisión junto con una alta salida de potencia. Algunas aplicaciones que utilizan topologías de puente aisladas están ganando popularidad en aplicaciones de carga rápida, como los vehículos eléctricos (EV).

Transformadores RF y Transformadores de Audio

Estos componentes normalmente no se agrupan juntos, pero realizan funciones similares. Estos transformadores proporcionan conversión de potencia para señales sinusoidales o moduladas, al igual que otros transformadores. Su otra función es proporcionar adaptación de impedancia a los puertos de entrada y/o salida en el dispositivo. La principal diferencia entre estos componentes es su calificación de frecuencia; los transformadores de audio están obviamente limitados a frecuencias de audio, mientras que los transformadores RF pueden tener un ancho de banda que alcanza hasta aproximadamente 10 GHz. Estos componentes también están disponibles como transformadores RF balun.

Autotransformador

Este tipo de transformador tiene bobinas primarias y secundarias eléctricamente vinculadas, donde ambas están separadas por un toque a lo largo del cuerpo de la bobina vinculada. Técnicamente, cualquiera de los tipos anteriores de transformadores podría construirse como autotransformadores, pero estos se utilizan normalmente para la conversión de energía (denominada "autotransformador de potencia"). Comparado con los transformadores típicos de núcleo y de carcasa, un autotransformador proporciona un acoplamiento más fuerte y tendrá menores pérdidas por fuga. Para un nivel de conversión e inductancia dados, generalmente cuestan menos y pesan menos.

La Electrónica de Potencia Continúa Evolucionando

Durante 2021, a medida que más capital de inversión ha fluido hacia empresas tecnológicas innovadoras y los vehículos eléctricos están listos para convertirse en la norma, la industria se está moviendo hacia una mayor electrificación y entrega de energía eficiente en todos los niveles. Los sistemas de conversión de energía para estas aplicaciones necesitan entregar altas corrientes a voltajes moderados mientras proporcionan aislamiento, que es exactamente donde los transformadores son ideales. Los sistemas de energía aislados que proporcionan regulación precisa y conversión de energía de alta eficiencia pueden beneficiarse de algunos de estos componentes adicionales:

• FETs avanzados como elementos de conmutación

• Amplificador de detección de corriente para regulación en bucles de retroalimentación

• ICs de control de puerta para conducir elementos de conmutación

Desafortunadamente para algunos sistemas de energía, un transformador estándar listo para usar puede no estar disponible para cada diseño, y un diseñador necesitará trabajar con un fabricante por contrato para producir transformadores personalizados. Muchos diseños de referencia para productos de energía podrían usar transformadores personalizados, o recomendarán un material de núcleo y un formador de bobina listos para usar. Estas opciones listas para usar aún pueden ensamblarse con un proceso de bobinado automatizado, o se puede ingeniar un bobinado personalizado para sistemas de energía novedosos.

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