전력 전자 응용을 위한 변압기 유형

작성 날짜: 이월 3, 2022
업데이트 날짜: 칠월 1, 2024

정밀한 변환, 조절 및 절연을 통한 안전이 요구되는 모든 전력 시스템은 전력 결합 요소로 변압기를 사용합니다. 전력 변환 시스템을 설계할 때까지, 이러한 장치에 사용 가능한 변압기의 다양한 유형을 깊이 살펴보지 않았을 것입니다. AC-DC 및 DC-DC 스위칭 컨버터 모두 안전을 보장하면서 갈바닉 절연 전력 변환을 제공하기 위해 변압기를 사용하지만, 이는 시스템의 전력 및 안전 요구 사항을 처리할 수 있는 올바른 변압기를 선택하는 것을 요구합니다.

이 글에서는 전력 전자에서 사용되는 일반적인 유형의 변압기, 특히 AC-DC 및 DC-DC 변환을 위한 보드 마운트 변압기의 몇 가지 특성을 살펴볼 것입니다. 변압기의 기본 유형 외에도 이러한 구성 요소의 주요 사양을 살펴볼 것이며, 이는 주어진 변압기의 적용 가능성을 제한할 것입니다. 마지막으로, 시스템에 맞는 현장 변압기를 찾을 수 없다면 시스템을 위한 변압기를 설계해야 할 것입니다.

일반적인 변압기 유형 및 사양

변압기는 주요 기능이 입력 신호를 (이상적으로) 1차 및 2차 코일의 권선 비율에 따라 다른 전압/전류로 변환하는 자기 코어 재료를 가진 유도성 구성 요소입니다. 겉보기에 단순한 구조에도 불구하고, 변압기는 많은 중요한 사양을 가진 복잡한 구성 요소입니다.

중요한 변압기 사양

다양한 유형의 변압기와 응용 프로그램은 특정 사양에 더 큰 초점을 맞출 것입니다. 주요 변압기 사양에는 다음이 포함됩니다:

DC 권선 저항 - 권선 저항은 특히 고전력 변환 시스템에서 많은 전력이 줄(Joule) 열로 손실될 수 있으므로 자기 구성 요소가 작동 중에 얼마나 가열되는지에 영향을 미칩니다.

스위칭 주파수 한계 - 전력 변환 및 조절에 사용될 때, 변압기는 그들의 기생성 및 평균 전력 처리 능력에 의해 결정되는 일부 스위칭 주파수 한계를 가질 것입니다. 고전류 평면 자기 장치의 전형적인 값은 100 kHz에서 1 MHz의 순서입니다. 평균 전력 소산을 결정할 수도 있는 듀티 사이클 한계도 있을 수 있습니다.

권선 커패시턴스 - 권선 간 커패시턴스와 권선 내 커패시턴스는 변압기 코일을 통해 노이즈가 어떻게 결합될 수 있는지, 그리고 ESD 펄스가 코일을 통해 어떻게 전파될 수 있는지를 결정합니다. 또한 전력 조절기에서 스위칭 주파수의 한계를 결정합니다; 낮은 커패시턴스는 더 높은 스위칭 주파수 한계에 해당합니다.

누설 인덕턴스 - 이것은 작동 중에 자기장 강도가 감소되는 주요 메커니즘입니다. 자기 구성 요소의 코일에서 자기장이 완전히 제한되지 않으므로 1차 및 2차 코일 간에 자기 유속의 불완전한 전달이 있을 것입니다.

1차-2차 절연 - 코일 간의 절연은 펄스 또는 DC로 나타낸 전압 값으로 나열됩니다. 이는 코일 간의 절연 파괴 저항을 측정하는 것입니다. 일부 변압기에서는 절연 전압이 kV 수준에 도달할 수 있습니다. 이는 구성 요소가 제공할 수 있는 갈바닉 절연 수준을 결정하기 때문에 분리된 전력 시스템에서 안전에 중요합니다.

장착 스타일 - 보드 장착 방법에는 탭 장착, SMD 배치 또는 스루홀 장착이 포함됩니다. 장착 스타일은 변압기가 운영 중 기계적 진동을 견딜 수 있는 능력을 결정합니다.

냉각 방법 - 평면 변압기와 같은 일부 변압기는 매우 컴팩트하기 때문에 강제 공기 흐름을 통해 냉각하기 어려울 수 있습니다. 냉각 방법은 열을 패키지를 통해 방열판이나 보드로 방출할 수 있도록 지정될 수 있습니다. 일부 변압기는 최대 열 방출을 제공하기 위해 직접 인클로저에 장착될 수 있습니다.

이러한 사양은 구성 요소에 부과된 전압 및 전류 제한을 결정합니다. 또한 변압기를 특정 설계에 적용할 수 있는 범위를 제한합니다. 따라서 우리는 전력 수준이 아닌 전기적 응용 프로그램을 기준으로 변압기의 다양한 유형을 분류합니다. 이러한 점들과 절연 등급은 설계가 안전 목표를 충족할 수 있는지 확인하기 위해 안전 규정이나 업계 표준과 비교해야 합니다.

변압기의 유형

변압기의 구조, 포장 및 기하학적 형태는 어떻게 분류되는지 결정합니다. 다양한 유형의 변압기는 운영 특성뿐만 아니라 구조(예: 자동 변압기)도 다를 것입니다. 대부분의 변압기는 아래 그래픽에서 보여주는 것처럼 코어 타입 또는 쉘 타입입니다. 이는 UL 준수 수준과 더 높은 주파수에서의 작동을 결정합니다.

전력 변압기

기술적으로 모든 변압기는 전력을 변환하지만, 전력 변압기는 주로 전력 변환을 위해 특별히 설계되었습니다. 이러한 변압기는 입력 전압 수준 간에 고효율 전력 변환을 제공하도록 설계되었습니다. 이 구성 요소는 주로 AC-AC 전력 변환(단상 또는 3상)에 사용되며, 라인 주파수에서 수백 VA 또는 kVA 수준의 등급에 도달합니다. 이러한 구성 요소의 주파수 한계는 낮으며 DC-DC 컨버터에서 발견되는 스위칭 주파수에서 작동할 필요가 없습니다.

낮은 주파수로 인해 변압기의 간격을 통해 노이즈나 ESD가 결합될 수 있으므로 고주파에서 절연이 낮을 수 있습니다. 이를 극복하는 한 가지 방법은 1차 및 2차 코일의 양쪽에 있는 그라운드 평면을 안전 커패시터(보통 Y형)로 연결하는 것입니다. 여기서 커패시터의 용량은 변압기의 기생 커패시턴스보다 커야 합니다. 이는 민감한 회로로부터 노이즈를 멀리하고 선택한 GND 연결로 다시 돌려보내는 저임피던스 전류 경로를 생성함으로써, 이는 GND 노이즈 전류가 클 경우 전원 공급 장치의 GND 단자에서 안전 위험을 일으킬 수 있습니다.

차폐 변압기

차폐 변압기는 코어 재질과 포장이 RF 노이즈에 대한 추가적인 차폐를 제공함으로써 더 큰 격리 기능을 가집니다. 구체적으로, 이는 주 전원(예: 주 전력)에서 발생하는 고주파 노이즈를 주요 부품의 기생 속성을 통해 2차 측으로 전달되는 것을 방지하려는 시도입니다. 포장은 또한 권선 간 용량을 통한 서지/충격 전압의 더 큰 전달을 방지합니다.

격리 변압기

모든 변압기는 격리 기능을 제공하지만, 격리 변압기는 저전력 및 중간 속도 데이터 전송 작업을 위해 매우 높은 격리 값을 제공하도록 의도되었습니다. 또한 상업 및 산업 전력 시스템에서 저전압 전원 공급 장치에 적합합니다. 격리 변압기가 사용될 전력 및 데이터 응용 프로그램에는 다음이 포함됩니다:

격리된 직렬 데이터 인터페이스(RS-485, RS-422, RS-232)
격리된 CAN 인터페이스
격리된 4 – 20 mA AC 전류 루프
액추에이터 및 변환기
격리된 DAQ 카드 시스템
기타 격리된 버스 인터페이스
표준 전압(24 V, 48 V 등)에서의 저전력 변환

이러한 응용 프로그램에서의 격리는 민감한 장비를 노이즈와 ESD로부터 보호하려는 것입니다. 이들은 일반적으로 저전류 응용 프로그램이므로 안전은 덜 고려되지만, 격리 변압기는 장비를 다루는 사용자에게 안전을 제공합니다.

스위칭 변압기

이 장치들은 kHz 스위칭 주파수 주변에서 작동하는 AC-DC 또는 DC-DC 변환기에 사용되도록 설계되었습니다. 예를 들어, 플라이백 변환기와 같습니다. 실제로, 스위칭 변압기는 사용될 회로에 따라 플라이백 변압기, LLC 변압기 또는 다른 이름으로 세분화됩니다. 이러한 구성 요소의 스위칭 주파수는 코일 인덕턴스, 누설 인덕턴스 및 기생 속성에 의해 제한됩니다.

또한, 코일 인덕턴스는 공진 변환기에서 중요한데, 이는 자화 인덕턴스가 변환기가 벅 또는 부스트 변환기로 기능할 수 있는지를 결정하기 때문입니다. 이 기능은 고정밀 추적이 고출력 출력과 함께 필요할 때 격리된 LLC 공진 변환기를 매우 유용하게 만듭니다. 격리된 브리지 토폴로지를 사용하는 일부 응용 프로그램은 EV와 같은 빠른 충전 응용 프로그램에서 점점 더 인기를 얻고 있습니다.

RF 변압기 및 오디오 변압기

이 구성 요소들은 일반적으로 함께 그룹화되지 않지만, 유사한 기능을 수행합니다. 이 변압기들은 다른 변압기와 마찬가지로 정현파 또는 변조 신호에 대한 전력 변환을 제공합니다. 그들의 다른 기능은 장치의 입력 및/또는 출력 포트에 임피던스 매칭을 제공하는 것입니다. 이 구성 요소들 사이의 주요 차이점은 그들의 주파수 등급인데; 오디오 변압기는 분명히 오디오 주파수로 제한되는 반면, RF 변압기는 대역폭이 약 10 GHz까지 높을 수 있습니다. 이 구성 요소들은 또한 밸런 RF 변압기로도 제공됩니다.

오토트랜스포머

이 유형의 변압기는 전기적으로 연결된 1차 및 2차 권선을 가지며, 두 권선은 연결된 코일의 몸체를 따라 탭으로 분리됩니다. 기술적으로, 위에 언급된 변압기 유형 중 어느 것도 자동 변압기로 구성될 수 있지만, 이들은 주로 전력 변환(“전력 자동 변압기”라고 함)에 사용됩니다. 일반적인 코어형 및 쉘형 변압기에 비해 자동 변압기는 더 강한 결합을 제공하며 누설 손실이 낮습니다. 주어진 변환 수준 및 인덕턴스에 대해 일반적으로 비용이 적게 들고 무게도 더 가볍습니다.

전력 전자는 계속 발전하고 있습니다

2021년 동안, 혁신적인 기술 회사들에 대한 투자 자본이 더 많이 유입되고 전기 자동차가 보편화될 것으로 예상됨에 따라, 산업은 모든 수준에서 더 큰 전기화와 효율적인 전력 전달로 나아가고 있습니다. 이러한 응용 프로그램을 위한 전력 변환 시스템은 중간 전압에서 높은 전류를 전달하면서 격리를 제공해야 하는데, 이는 변압기가 이상적인 곳입니다. 정밀한 조절과 고효율 전력 변환을 제공하는 격리된 전력 시스템은 다음과 같은 추가 구성 요소의 이점을 누릴 수 있습니다:

불행히도 일부 전력 시스템의 경우, 모든 설계에 대해 표준 현장에서 구할 수 있는 변압기가 없을 수 있으며, 설계자는 맞춤형 변압기를 생산하기 위해 계약 제조업체와 협력해야 할 수 있습니다. 전력 제품을 위한 많은 참조 설계는 맞춤형 변압기를 사용하거나, 현장에서 구할 수 있는 코어 재료와 코일 전자를 추천할 수 있습니다. 이러한 현장에서 구할 수 있는 옵션은 여전히 자동 권선 공정으로 조립될 수 있거나, 새로운 전력 시스템을 위해 맞춤형 권선이 공학적으로 설계될 수 있습니다.

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