Tipi di Trasformatori per Applicazioni di Elettronica di Potenza

Creato: febbraio 3, 2022
Aggiornato: luglio 1, 2024

Qualsiasi sistema di alimentazione che richiede una conversione precisa, una regolazione e sicurezza attraverso l'isolamento utilizzerà trasformatori come elementi di accoppiamento di potenza. Fino a quando non si è dovuto progettare un sistema di conversione di potenza, probabilmente non si è guardato in profondità ai diversi tipi di trasformatori disponibili per questi dispositivi. Sia i convertitori AC-DC che DC-DC utilizzano trasformatori per fornire una conversione di potenza galvanicamente isolata garantendo al contempo sicurezza, ma ciò richiede la selezione del trasformatore corretto in grado di gestire la potenza del sistema e le esigenze di sicurezza.

In questo articolo, esamineremo alcune caratteristiche dei tipi comuni di trasformatori utilizzati nell'elettronica di potenza, in particolare i trasformatori montati su scheda per la conversione AC-DC e DC-DC. Oltre ai tipi di base di trasformatori, guarderemo ad alcune delle principali specifiche di questi componenti poiché queste limiteranno l'applicabilità per un dato trasformatore. Infine, se non riesci a trovare un trasformatore commerciale per il tuo sistema, allora dovrai progettare un trasformatore per il tuo sistema.

Tipi comuni di trasformatori e specifiche

I trasformatori sono componenti induttivi con un materiale nucleo magnetico la cui funzione principale è convertire un segnale di ingresso in un'uscita a (idealmente) una diversa tensione/corrente a seconda del rapporto di trasformazione delle spire primarie e secondarie. Nonostante la loro apparente semplice costruzione, i trasformatori sono componenti complessi che hanno molte specifiche importanti.

Specifiche importanti dei trasformatori

Diversi tipi di trasformatori e applicazioni porranno maggiore enfasi su certe specifiche. Alcune delle principali specifiche dei trasformatori includono:

Resistenza al avvolgimento in DC - La resistenza di avvolgimento influenza quanto i componenti magnetici si riscalderanno durante il funzionamento, in particolare nei sistemi di conversione di potenza ad alta potenza dove molta energia può essere persa come riscaldamento Joule.

Limite di frequenza di commutazione - Quando utilizzati nella conversione e regolazione di potenza, i trasformatori avranno un certo limite di frequenza di commutazione determinato dai loro parassiti e capacità di gestione della potenza media. I valori tipici per la magnetica planare ad alta corrente sono dell'ordine di 100 kHz a 1 MHz. Potrebbe esserci anche un limite di ciclo di lavoro poiché questo determinerà la dissipazione media di potenza.

Capacitanze di avvolgimento - La capacitazione tra avvolgimenti e la capacitazione all'interno di un avvolgimento determineranno come il rumore può accoppiarsi attraverso le spire del trasformatore, così come come un impulso ESD potrebbe propagarsi attraverso le spire. Determina anche i limiti delle frequenze di commutazione nei regolatori di potenza; capacitance più basse corrispondono a limiti di frequenza di commutazione più alti.

Induttanza di dispersione - Questo è il meccanismo primario attraverso il quale la forza del campo magnetico sarà ridotta durante il funzionamento. Il campo magnetico non sarà completamente confinato nella bobina di un componente magnetico, quindi ci sarà un trasferimento imperfetto del flusso magnetico tra le bobine primarie e secondarie.

Isolamento primario-secondario - L'isolamento tra le bobine è indicato come un valore di tensione (sia pulsato che DC). Questa è una misura della resistenza al breakdown tra le bobine. La tensione di isolamento può raggiungere livelli di kV in alcuni trasformatori. Questo è importante per la sicurezza nei sistemi di alimentazione isolati poiché determinerà il livello di isolamento galvanico che il componente può fornire.

Stile di montaggio - I metodi di montaggio su scheda includono il montaggio a linguetta, il posizionamento SMD o il montaggio attraverso foro. Lo stile di montaggio determinerà la capacità di un trasformatore di resistere alle vibrazioni meccaniche durante il funzionamento.

Metodo di raffreddamento - Alcuni trasformatori, come i trasformatori planari, possono essere difficili da raffreddare tramite flusso d'aria forzato poiché sono molto compatti. Un metodo di raffreddamento può essere specificato in modo che il calore possa essere dissipato attraverso il pacchetto in un dissipatore di calore o nella scheda. Alcuni trasformatori possono essere montati direttamente su un involucro per fornire la massima dissipazione del calore.

In totale, queste specifiche determineranno le limitazioni di tensione e corrente imposte sul componente. Limiteranno anche l'applicabilità del trasformatore a progetti specifici, quindi classifichiamo i diversi tipi di trasformatori in base all'applicazione elettrica piuttosto che ai livelli di potenza. Questi punti, così come la valutazione di isolamento, dovrebbero essere confrontati con le normative di sicurezza o gli standard del settore per garantire che un progetto possa soddisfare gli obiettivi di sicurezza.

Tipi di Trasformatori

La costruzione, il confezionamento e la geometria di un trasformatore determineranno come viene categorizzato. Diversi tipi di trasformatori avranno caratteristiche operative diverse così come la costruzione (ad es., autotrasformatori). La maggior parte dei trasformatori sono di tipo a nucleo o a guscio, come mostrato nella grafica qui sotto. Questo determinerà il loro livello di conformità UL, così come il loro funzionamento ad alte frequenze.

Trasformatori di Potenza

Tecnicamente tutti i trasformatori convertono potenza, ma i trasformatori di potenza sono specificamente progettati per la conversione della potenza di rete. Questi trasformatori sono progettati per fornire una conversione di potenza ad alta efficienza tra livelli di tensione di ingresso. Questi componenti sono utilizzati principalmente nella conversione di potenza AC-AC (monofase o trifase) a frequenze di linea con valutazioni che raggiungono centinaia di VA o livelli di kVA. I limiti di frequenza sono bassi per questi componenti poiché non devono operare alle frequenze di commutazione trovate nei convertitori DC-DC.

A causa delle basse frequenze, rumore o ESD potrebbero accoppiarsi attraverso il gap nel trasformatore, quindi l'isolamento può essere basso ad alte frequenze. Un modo per superare questo problema è collegare i piani di massa su ciascun lato delle bobine primaria e secondaria con un condensatore di sicurezza (solitamente di tipo Y), dove la capacità è maggiore delle capacità parassite del trasformatore. Questo indirizza il rumore lontano dai circuiti sensibili e ritorna a una connessione GND a tua scelta creando un percorso di corrente a bassa impedenza, come questo può creare un pericolo di sicurezza al terminale GND dell'alimentatore se le correnti di rumore GND sono grandi.

Trasformatore Schermato

Un trasformatore schermato ha una maggiore isolamento poiché il materiale del nucleo e l'imballaggio forniscono una schermatura aggiuntiva contro il rumore RF. In particolare, ciò affronta il rumore ad alta frequenza proveniente dal lato primario (come quello della corrente di rete) e tenta di impedirne il passaggio al lato secondario attraverso i parassiti del componente. L'imballaggio impedisce anche un maggiore trasferimento di tensioni di sovratensione/impulso tramite la capacità inter-avvolgimento.

Trasformatori di Isolamento

Tutti i trasformatori forniscono isolamento, ma un trasformatore di isolamento è destinato a fornire valori di isolamento molto elevati per compiti di trasferimento dati a bassa potenza e velocità moderata. Sono anche ben adatti per alimentatori a bassa tensione in sistemi di alimentazione commerciali e industriali. Alcune delle applicazioni di potenza e dati dove verrà utilizzato un trasformatore di isolamento includono:

Interfacce dati seriali isolate (RS-485, RS-422 e RS-232)
Interfacce CAN isolate
Anelli di corrente AC isolati 4 – 20 mA
Attuatori e trasduttori
Sistemi di schede DAQ isolate
Altre interfacce bus isolate
Conversione a bassa potenza a tensioni standard (24 V, 48 V, ecc.)

L'isolamento in queste applicazioni è inteso a proteggere le apparecchiature sensibili da rumore e ESD. Queste sono tipicamente applicazioni a corrente inferiore, quindi la sicurezza è meno una considerazione, sebbene i trasformatori di isolamento forniscano sicurezza per qualsiasi utente che interagisca con le apparecchiature.

Trasformatori di Commutazione

Questi dispositivi sono progettati per l'uso in convertitori AC-DC o DC-DC che operano intorno a frequenze di commutazione kHz, come i convertitori flyback. Infatti, i trasformatori di commutazione sono sottoclassificati come trasformatori flyback, trasformatori LLC, o possibilmente qualche altro nome basato sul circuito in cui verranno utilizzati. La frequenza di commutazione di questi componenti sarà limitata dalla loro induttanza di bobina, induttanza di dispersione e parassiti.

Inoltre, l'induttanza della bobina è importante nei convertitori risonanti poiché l'induttanza di magnetizzazione determinerà la capacità del convertitore di funzionare come convertitore buck o boost. Questa capacità rende i convertitori risonanti LLC isolati molto utili quando è necessario un tracciamento di alta precisione insieme ad un'alta potenza di uscita. Alcune applicazioni che utilizzano topologie a ponte isolate stanno diventando più popolari nelle applicazioni di ricarica rapida, come i veicoli elettrici.

Trasformatori RF e Trasformatori Audio

Questi componenti non sono normalmente raggruppati insieme, ma svolgono funzioni simili. Questi trasformatori forniscono conversione di potenza per segnali sinusoidali o modulati, proprio come altri trasformatori. La loro altra funzione è fornire l'adattamento di impedenza alle porte di ingresso e/o uscita sul dispositivo. La principale differenza tra questi componenti è la loro valutazione di frequenza; i trasformatori audio sono ovviamente limitati alle frequenze audio, mentre i trasformatori RF possono avere una larghezza di banda che raggiunge fino a circa 10 GHz. Questi componenti sono disponibili anche come trasformatori RF balun.

Autotrasformatore

Questo tipo di trasformatore ha avvolgimenti primari e secondari elettricamente collegati, dove i due sono separati da un rubinetto lungo il corpo della bobina collegata. Tecnicamente, qualsiasi dei tipi di trasformatori sopra menzionati potrebbe essere costruito come autotrasformatore, ma questi sono normalmente utilizzati per la conversione di potenza (denominata "autotrasformatore di potenza"). Rispetto ai trasformatori tipici a nucleo e a guscio, un autotrasformatore fornisce un accoppiamento più forte e avrà minori perdite di dispersione. Per un dato livello di conversione e induttanza, generalmente costano meno e pesano meno.

L'elettronica di potenza continua a evolversi

Nel 2021, poiché più capitale di investimento è stato indirizzato verso aziende tecnologiche innovative e i veicoli elettrici sono pronti a diventare la norma, l'industria si sta muovendo verso una maggiore elettrificazione e una consegna di potenza efficiente a tutti i livelli. I sistemi di conversione di potenza per queste applicazioni devono fornire alte correnti a tensioni moderate pur fornendo isolamento, che è esattamente dove i trasformatori sono ideali. I sistemi di potenza isolati che forniscono una regolazione precisa e una conversione di potenza ad alta efficienza possono beneficiare di alcuni di questi componenti aggiuntivi:

Sfortunatamente per alcuni sistemi di potenza, un trasformatore standard pronto per l'uso potrebbe non essere disponibile per ogni progetto, e un progettista dovrà lavorare con un produttore su contratto per produrre trasformatori personalizzati. Molti progetti di riferimento per prodotti di potenza potrebbero utilizzare trasformatori personalizzati, o potrebbero raccomandare un materiale nucleare e un ex-former a bobina pronti per l'uso. Queste opzioni pronte per l'uso possono ancora essere assemblate con un processo di avvolgimento automatizzato, o l'avvolgimento personalizzato può essere progettato per sistemi di potenza innovativi.

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