Types de transformateurs pour les applications en électronique de puissance

Tout système d'alimentation nécessitant une conversion précise, une régulation et une sécurité par isolation utilisera des transformateurs comme éléments de couplage de puissance. Avant d'avoir à concevoir un système de conversion d'énergie, vous n'avez probablement pas examiné en détail les différents types de transformateurs disponibles pour ces dispositifs. Les convertisseurs à commutation AC-DC et DC-DC utilisent des transformateurs pour fournir une conversion de puissance galvaniquement isolée tout en garantissant la sécurité, mais cela nécessite de sélectionner le transformateur correct capable de gérer la puissance et les exigences de sécurité du système.

Dans cet article, nous examinerons certaines caractéristiques des types courants de transformateurs utilisés en électronique de puissance, en particulier les transformateurs montés sur carte pour la conversion AC-DC et DC-DC. En plus des types de base de transformateurs, nous examinerons certaines des principales spécifications de ces composants car celles-ci limiteront l'applicabilité pour un transformateur donné. Enfin, si vous ne trouvez pas de transformateur prêt à l'emploi pour votre système, vous devrez alors concevoir un transformateur pour votre système.

Types courants de transformateurs et spécifications

Les transformateurs sont des composants inductifs avec un matériau de noyau magnétique dont la fonction principale est de convertir un signal d'entrée en une sortie à (idéalement) une tension/courant différente selon le rapport de transformation des bobines primaire et secondaire. Malgré leur construction apparemment simple, les transformateurs sont des composants complexes qui ont de nombreuses spécifications importantes.

Spécifications importantes des transformateurs

Différents types de transformateurs et applications mettront davantage l'accent sur certaines spécifications. Certaines des principales spécifications des transformateurs incluent :

Résistance au bobinage en courant continu - La résistance au bobinage influence la manière dont les composants magnétiques chaufferont pendant le fonctionnement, en particulier dans les systèmes de conversion de puissance à haute puissance où beaucoup d'énergie peut être perdue sous forme de chauffage Joule.

Limite de fréquence de commutation - Lorsqu'ils sont utilisés dans la conversion et la régulation de puissance, les transformateurs auront une certaine limite de fréquence de commutation qui est déterminée par leurs parasitiques et leurs capacités de gestion de puissance moyenne. Les valeurs typiques pour les magnétiques planaires à courant élevé sont de l'ordre de 100 kHz à 1 MHz. Il peut également y avoir une limite de cycle de travail car cela déterminera la dissipation de puissance moyenne.

Capacités de bobinage - La capacité entre bobinages et la capacité intra-bobinage détermineront comment le bruit peut se coupler à travers les bobines du transformateur, ainsi que la manière dont une impulsion ESD pourrait se propager à travers les bobines. Cela détermine également les limites des fréquences de commutation dans les régulateurs de puissance ; des capacités plus faibles correspondent à des limites de fréquence de commutation plus élevées.

Inductance de fuite - C'est le mécanisme principal par lequel la force du champ magnétique sera réduite pendant le fonctionnement. Le champ magnétique ne sera pas entièrement confiné dans la bobine d'un composant magnétique, il y aura donc un transfert imparfait du flux magnétique entre les bobines primaire et secondaire.

Isolation primaire-secondaire - L'isolation entre les bobines est indiquée comme une valeur de tension (soit pulsée, soit continue). C'est une mesure de la résistance à la rupture entre les bobines. La tension d'isolation peut atteindre des niveaux de kV dans certains transformateurs. Cela est important pour la sécurité dans les systèmes d'alimentation isolés car cela déterminera le niveau d'isolation galvanique que le composant peut fournir.

Style de montage - Les méthodes de montage sur carte incluent le montage par pattes, le placement CMS ou le montage traversant. Le style de montage déterminera la capacité d'un transformateur à résister aux vibrations mécaniques pendant le fonctionnement.

Méthode de refroidissement - Certains transformateurs, tels que les transformateurs planaires, peuvent être difficiles à refroidir par flux d'air forcé en raison de leur compacité. Une méthode de refroidissement peut être spécifiée afin que la chaleur puisse être dissipée à travers le boîtier dans un dissipateur thermique ou dans la carte. Certains transformateurs peuvent être montés directement sur un boîtier pour fournir une dissipation thermique maximale.

Au total, ces spécifications détermineront les limitations de tension et de courant imposées sur le composant. Elles limiteront également l'applicabilité du transformateur à des conceptions spécifiques, c'est pourquoi nous catégorisons différents types de transformateurs en fonction de l'application électrique plutôt que des niveaux de puissance. Ces points, ainsi que la note d'isolation, devraient être comparés aux réglementations de sécurité ou aux normes industrielles pour garantir qu'une conception puisse atteindre les objectifs de sécurité.

Types de Transformateurs

La construction, l'emballage et la géométrie d'un transformateur détermineront comment il est catégorisé. Différents types de transformateurs auront des caractéristiques de fonctionnement différentes ainsi que des constructions (par exemple, les autotransformateurs). La plupart des transformateurs sont de type à noyau ou à enveloppe, comme le montre le graphique ci-dessous. Cela déterminera leur niveau de conformité UL, ainsi que leur fonctionnement à des fréquences plus élevées.

Transformateurs de Puissance

Techniquement, tous les transformateurs convertiront la puissance, mais les transformateurs de puissance sont spécifiquement conçus pour la conversion de puissance principale. Ces transformateurs sont conçus pour fournir une conversion de puissance à haute efficacité entre les niveaux de tension d'entrée. Ces composants sont principalement utilisés dans la conversion de puissance AC-AC (monophasée ou triphasée) à des fréquences de ligne avec des évaluations atteignant des centaines de VA ou des niveaux de kVA. Les limites de fréquence sont basses pour ces composants car ils n'ont pas besoin de fonctionner aux fréquences de commutation trouvées dans les convertisseurs DC-DC.

En raison des basses fréquences, le bruit ou l'ESD pourrait se coupler à travers l'écart dans le transformateur, donc l'isolation peut être faible à des fréquences élevées. Une manière de surmonter cela est de relier les plans de masse de chaque côté des bobines primaire et secondaire avec un condensateur de sécurité (généralement de type Y), où la capacité est supérieure aux capacitances parasites du transformateur. Cela dirige le bruit loin des circuits sensibles et retourne à une connexion GND de votre choix en créant un chemin de courant à faible impédance, comment cela peut créer un danger de sécurité au terminal GND d'une alimentation si les courants de bruit GND sont importants.

Transformateur Blindé

Un transformateur blindé offre une meilleure isolation car le matériau du noyau et l'emballage fournissent un blindage supplémentaire contre le bruit RF. Plus précisément, cela concerne le bruit de haute fréquence provenant du côté primaire (comme celui du courant secteur) et tente d'empêcher sa transmission au côté secondaire via les parasitiques du composant. L'emballage empêche également un plus grand transfert de tensions de surtension/impulsion via la capacité inter-enroulements.

Transformateurs d'isolation

Tous les transformateurs fournissent une isolation, mais un transformateur d'isolation est destiné à fournir des valeurs d'isolation très élevées pour les tâches de transfert de données à faible puissance et à vitesse modérée. Ils conviennent également aux alimentations basse tension dans les systèmes d'alimentation commerciaux et industriels. Certaines des applications de puissance et de données où un transformateur d'isolation sera utilisé incluent :

• Interfaces de données série isolées (RS-485, RS-422 et RS-232)

• Interfaces CAN isolées

• Boucles de courant AC isolées de 4 – 20 mA

• Actionneurs et transducteurs

• Systèmes de cartes DAQ isolés

• Autres interfaces de bus isolées

• Conversion de faible puissance à des tensions standard (24 V, 48 V, etc.)

L'isolation dans ces applications vise à protéger les équipements sensibles contre le bruit et l'ESD. Ce sont généralement des applications à courant plus faible, donc la sécurité est moins une considération, bien que les transformateurs d'isolation fournissent également une sécurité pour tout utilisateur interagissant avec l'équipement.

Transformateurs de commutation

Ces dispositifs sont conçus pour être utilisés dans des convertisseurs AC-DC ou DC-DC fonctionnant autour de fréquences de commutation de kHz, comme les convertisseurs flyback. En fait, les transformateurs de commutation sont sous-classifiés comme transformateurs flyback, transformateurs LLC, ou éventuellement d'autres noms basés sur le circuit dans lequel il sera utilisé. La fréquence de commutation de ces composants sera limitée par leur inductance de bobine, l'inductance de fuite et les parasitiques.

De plus, l'inductance de la bobine est importante dans les convertisseurs résonnants car l'inductance de magnétisation déterminera la capacité du convertisseur à fonctionner soit comme un convertisseur abaisseur soit comme un convertisseur élévateur. Cette capacité rend les convertisseurs résonnants LLC isolés très utiles lorsque un suivi de haute précision est nécessaire aux côtés d'une sortie de haute puissance. Certaines applications qui utilisent des topologies de pont isolées deviennent plus populaires dans les applications de charge rapide, comme les VE.

Transformateurs RF et transformateurs audio

Ces composants ne sont normalement pas regroupés ensemble, mais ils remplissent des fonctions similaires. Ces transformateurs assurent la conversion de puissance pour les signaux sinusoïdaux ou modulés, tout comme les autres transformateurs. Leur autre fonction est de fournir une adaptation d'impédance aux ports d'entrée et/ou de sortie sur le dispositif. La principale différence entre ces composants est leur évaluation de fréquence ; les transformateurs audio sont évidemment limités aux fréquences audio, tandis que les transformateurs RF peuvent avoir une bande passante atteignant jusqu'à environ 10 GHz. Ces composants sont également disponibles en tant que transformateurs RF balun.

Autotransformateur

Ce type de transformateur possède des enroulements primaire et secondaire électriquement liés, où les deux sont séparés par un robinet le long du corps de la bobine liée. Techniquement, n'importe lequel des types de transformateurs mentionnés ci-dessus pourrait être construit comme autotransformateurs, mais ceux-ci sont normalement utilisés pour la conversion de puissance (appelée « autotransformateur de puissance »). Comparé à un transformateur de type noyau et de type coquille typiques, un autotransformateur offre un couplage plus fort et aura des pertes de fuite plus faibles. Pour un niveau de conversion et une inductance donnés, ils coûtent généralement moins cher et pèsent moins.

Les électroniques de puissance continuent d'évoluer

En 2021, alors que plus de capital d'investissement a afflué vers des entreprises technologiques innovantes et que les véhicules électriques sont sur le point de devenir la norme, l'industrie évolue vers une plus grande électrification et une livraison de puissance efficace à tous les niveaux. Les systèmes de conversion de puissance pour ces applications doivent fournir des courants élevés à des tensions modérées tout en fournissant une isolation, ce qui est exactement là où les transformateurs sont idéaux. Les systèmes d'alimentation isolés qui fournissent une régulation précise et une conversion de puissance à haute efficacité peuvent bénéficier de certains de ces composants supplémentaires :

• FET avancés comme éléments de commutation

• Amplificateur de mesure de courant pour la régulation dans les boucles de rétroaction

• Circuits intégrés de commande de grille pour la commande des éléments de commutation

Malheureusement pour certains systèmes d'alimentation, un transformateur standard disponible dans le commerce peut ne pas être disponible pour chaque conception, et un concepteur devra travailler avec un fabricant à contrat pour produire des transformateurs personnalisés. De nombreux designs de référence pour les produits d'alimentation pourraient utiliser des transformateurs personnalisés, ou ils recommanderont un matériau de noyau et un ancien de bobine disponibles dans le commerce. Ces options disponibles dans le commerce peuvent encore être assemblées avec un processus de bobinage automatisé, ou un bobinage personnalisé peut être conçu pour des systèmes d'alimentation novateurs.

Lorsque vous avez besoin de trouver l'un des types de transformateurs mentionnés ci-dessus, utilisez les fonctionnalités de recherche avancée et de filtration sur Octopart. Lorsque vous utilisez le moteur de recherche électronique d'Octopart, vous aurez accès aux données de prix des distributeurs à jour, à l'inventaire des pièces, et aux spécifications des pièces, et tout est librement accessible dans une interface conviviale. Jetez un œil à notre page de circuits intégrés pour trouver les composants dont vous avez besoin.

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