Rodzaje transformatorów do zastosowań w elektronice mocy

Utworzono: luty 3, 2022
Zaktualizowano: lipiec 1, 2024

Każdy system zasilania, który wymaga precyzyjnej konwersji, regulacji i bezpieczeństwa poprzez izolację, będzie używał transformatorów jako elementów sprzęgających moc. Dopóki nie musiałeś projektować systemu konwersji mocy, prawdopodobnie nie przyglądałeś się głęboko różnym typom transformatorów dostępnych dla tych urządzeń. Zarówno przekształtniki AC-DC, jak i DC-DC wykorzystują transformatory do zapewnienia galwanicznie izolowanej konwersji mocy przy jednoczesnym zapewnieniu bezpieczeństwa, ale wymaga to wybrania odpowiedniego transformatora, który może obsłużyć zapotrzebowanie systemu na moc i bezpieczeństwo.

W tym artykule przyjrzymy się niektórym charakterystykom powszechnie używanych transformatorów w elektronice mocy, szczególnie transformatorom montowanym na płytce do konwersji AC-DC i DC-DC. Oprócz podstawowych typów transformatorów, przyjrzymy się niektórym głównym specyfikacjom tych komponentów, ponieważ będą one ograniczać zastosowanie dla danego transformatora. Wreszcie, jeśli nie możesz znaleźć transformatora z półki dla swojego systemu, będziesz musiał zaprojektować transformator dla swojego systemu.

Powszechne typy transformatorów i specyfikacje

Transformatory to komponenty indukcyjne z magnetycznym materiałem rdzenia, których główną funkcją jest konwersja sygnału wejściowego na wyjście przy (idealnie) innym napięciu/prądzie w zależności od stosunku zwojów cewek pierwotnych i wtórnych. Pomimo pozornie prostej konstrukcji, transformatory to skomplikowane komponenty, które mają wiele ważnych specyfikacji.

Ważne specyfikacje transformatorów

Różne typy transformatorów i aplikacje będą kładły większy nacisk na określone specyfikacje. Niektóre z głównych specyfikacji transformatorów obejmują:

Oporność uzwojenia DC - Oporność uzwojenia wpływa na to, jak komponenty magnetyczne będą się nagrzewać podczas pracy, szczególnie w systemach konwersji mocy o wysokiej mocy, gdzie dużo mocy może być tracone jako ciepło Joule'a.

Limit częstotliwości przełączania - Gdy są używane w konwersji i regulacji mocy, transformatory będą miały pewien limit częstotliwości przełączania, który jest określony przez ich pasożytnicze właściwości i średnie zdolności obsługi mocy. Typowe wartości dla wysokoprądowych magnetyków płaskich mieszczą się w zakresie od 100 kHz do 1 MHz. Może być również limit cyklu pracy, ponieważ będzie to określać średnią dysypację mocy.

Pojemności uzwojenia - Pojemność międzyzwojowa i pojemność wewnątrzzwojowa będą określać, jak szum może być sprzęgany przez cewki transformatora, a także jak impuls ESD mógłby propagować się przez cewki. Określa to również limity częstotliwości przełączania w regulatorach mocy; niższe pojemności odpowiadają wyższym limitom częstotliwości przełączania.

Indukcyjność upływu - Jest to główny mechanizm, przez który siła pola magnetycznego będzie redukowana podczas pracy. Pole magnetyczne nie będzie w pełni zamknięte w cewce komponentu magnetycznego, więc będzie niepełny transfer strumienia magnetycznego między cewkami pierwotnymi i wtórnymi.

Izolacja pierwotna-wtórna - Izolacja między cewkami jest podawana jako wartość napięciowa (albo impulsowa, albo stała). Jest to miara odporności na przebicie między cewkami. Napięcie izolacji może osiągnąć poziomy kV w niektórych transformatorach. Jest to ważne dla bezpieczeństwa w izolowanych systemach zasilania, ponieważ określa poziom izolacji galwanicznej, jaką komponent może zapewnić.

Styl montażu - Metody montażu na płytce obejmują montaż na zakładkę, umieszczenie SMD lub montaż przelotowy. Styl montażu będzie determinował zdolność transformatora do wytrzymywania wibracji mechanicznych podczas działania.

Metoda chłodzenia - Niektóre transformatory, takie jak transformatory płaskie, mogą być trudne do chłodzenia za pomocą wymuszonego przepływu powietrza ze względu na ich kompaktowe wymiary. Metoda chłodzenia może być określona tak, aby ciepło mogło być rozpraszane przez obudowę do radiatora lub do płytki. Niektóre transformatory mogą być montowane bezpośrednio do obudowy, aby zapewnić maksymalne rozpraszanie ciepła.

Łącznie, te specyfikacje będą określać ograniczenia napięcia i prądu nałożone na komponent. Będą również ograniczać zastosowanie transformatora do konkretnych projektów, dlatego klasyfikujemy różne typy transformatorów na podstawie zastosowania elektrycznego, a nie poziomów mocy. Te punkty, jak również ocena izolacji, powinny być porównywane z regulacjami bezpieczeństwa lub standardami branżowymi, aby zapewnić, że projekt może spełnić cele bezpieczeństwa.

Typy transformatorów

Konstrukcja, opakowanie i geometria transformatora będą decydować o jego kategoryzacji. Różne typy transformatorów będą miały różne charakterystyki działania, jak również konstrukcję (np. autotransformatory). Większość transformatorów to transformatory rdzeniowe lub typu skorupowego, jak pokazano na poniższej grafice. Będzie to decydować o ich poziomie zgodności z UL, jak również o ich działaniu na wyższych częstotliwościach.

Transformatory mocy

Technicznie rzecz biorąc, wszystkie transformatory przekształcają moc, ale transformatory mocy są specjalnie zaprojektowane do konwersji mocy sieciowej. Te transformatory są zaprojektowane do zapewnienia wysokiej efektywności konwersji mocy między poziomami napięcia wejściowego. Te komponenty są głównie używane w konwersji mocy AC-AC (jednofazowej lub trójfazowej) na częstotliwościach sieciowych, z mocą osiągającą setki VA lub poziomy kVA. Limity częstotliwości są niskie dla tych komponentów, ponieważ nie muszą one działać na częstotliwościach przełączania, jakie występują w przetwornicach DC-DC.

Z powodu niskich częstotliwości, hałas lub ESD mogą być sprzężone przez szczelinę w transformatorze, więc izolacja może być niska na wysokich częstotliwościach. Jednym ze sposobów przezwyciężenia tego jest połączenie płaszczyzn uziemienia po obu stronach cewek pierwotnej i wtórnej za pomocą kondensatora bezpieczeństwa (zazwyczaj typu Y), gdzie pojemność jest większa niż pasożytnicze pojemności transformatora. To kieruje hałas z dala od wrażliwych obwodów i z powrotem do wybranego połączenia GND, tworząc ścieżkę prądu o niskiej impedancji, jak to może stworzyć zagrożenie bezpieczeństwa przy terminalu GND zasilacza, jeśli prądy hałasu GND są duże.

Transformatory ekranowane

Transformatory ekranowane mają większą izolację, ponieważ materiał rdzenia i opakowanie zapewniają dodatkowe ekranowanie przed zakłóceniami RF. W szczególności dotyczy to wysokich częstotliwości zakłóceń pochodzących ze strony pierwotnej (takich jak z sieci energetycznej) i próbuje zapobiec ich przenikaniu na stronę wtórną poprzez pasożytnicze elementy komponentu. Opakowanie zapobiega również większemu przenoszeniu napięć impulsowych/szczytowych poprzez pojemność międzyzwojową.

Transformatory izolacyjne

Wszystkie transformatory zapewniają izolację, ale transformator izolacyjny jest przeznaczony do zapewnienia bardzo wysokich wartości izolacji dla zadań związanych z transferem danych o niskiej mocy i umiarkowanej prędkości. Są również dobrze przystosowane do zasilaczy niskonapięciowych w komercyjnych i przemysłowych systemach zasilania. Niektóre z zastosowań mocy i danych, gdzie używany będzie transformator izolacyjny, to:

Izolowane interfejsy danych szeregowych (RS-485, RS-422 i RS-232)
Izolowane interfejsy CAN
Izolowane pętle prądowe AC 4 – 20 mA
Aktuatory i przetworniki
Izolowane systemy kart DAQ
Inne izolowane interfejsy magistrali
Konwersja niskiej mocy przy standardowych napięciach (24 V, 48 V itp.)

Izolacja w tych aplikacjach ma na celu ochronę wrażliwego sprzętu przed zakłóceniami i ESD. Są to zwykle aplikacje o niższym prądzie, więc bezpieczeństwo jest mniej istotne, chociaż transformatory izolacyjne zapewniają bezpieczeństwo dla każdego użytkownika wchodzącego w interakcję ze sprzętem.

Transformatory przełączające

Te urządzenia są zaprojektowane do użytku w przetwornicach AC-DC lub DC-DC pracujących wokół częstotliwości przełączania kHz, takich jak przetwornice flyback. W rzeczywistości transformatory przełączające są podklasyfikowane jako transformatory flyback, transformatory LLC lub możliwe inne nazwy w zależności od obwodu, w którym będą używane. Częstotliwość przełączania tych komponentów będzie ograniczona przez ich indukcyjność cewki, indukcyjność upływu i pasożytnicze elementy.

Ponadto, indukcyjność cewki jest ważna w przetwornicach rezonansowych, ponieważ indukcyjność magnesująca będzie określać zdolność przetwornicy do funkcjonowania jako przetwornica obniżająca lub podwyższająca napięcie. Ta zdolność czyni izolowane przetwornice rezonansowe LLC bardzo użytecznymi, gdy potrzebne jest precyzyjne śledzenie wraz z wysoką mocą wyjściową. Niektóre aplikacje wykorzystujące izolowane topologie mostkowe stają się bardziej popularne w aplikacjach szybkiego ładowania, takich jak pojazdy elektryczne (EV).

Transformatory RF i audio

Te komponenty zwykle nie są grupowane razem, ale wykonują podobne funkcje. Te transformatory zapewniają konwersję mocy dla sygnałów sinusoidalnych lub modulowanych, tak jak inne transformatory. Ich inną funkcją jest zapewnienie dopasowania impedancji do portów wejściowych i/lub wyjściowych urządzenia. Główną różnicą między tymi komponentami jest ich ocena częstotliwości; transformatory audio są oczywiście ograniczone do częstotliwości audio, podczas gdy transformatory RF mogą mieć pasmo sięgające aż do około 10 GHz. Te komponenty są również dostępne jako baluny RF.

Autotransformator

Ten typ transformatora ma elektrycznie połączone uzwojenia pierwotne i wtórne, gdzie oba są oddzielone przez odczep wzdłuż ciała połączonej cewki. Technicznie, każdy z powyższych typów transformatorów może być skonstruowany jako autotransformator, ale zazwyczaj są one używane do konwersji mocy (określanej jako „autotransformator mocy”). W porównaniu do typowych transformatorów rdzeniowych i typu skorupowego, autotransformator zapewnia silniejsze sprzężenie i będzie miał mniejsze straty wycieku. Dla danego poziomu konwersji i indukcyjności, zazwyczaj kosztują mniej i ważą mniej.

Elektronika mocy ciągle ewoluuje

W 2021 roku, w miarę jak więcej kapitału inwestycyjnego płynęło do innowacyjnych firm technologicznych i pojazdy elektryczne są na dobrej drodze do stania się normą, branża zmierza w kierunku większej elektryfikacji i efektywnej dostawy mocy na wszystkich poziomach. Systemy konwersji mocy dla tych zastosowań muszą dostarczać wysokie prądy przy umiarkowanych napięciach, zapewniając jednocześnie izolację, co jest właśnie tym, gdzie transformatory są idealne. Izolowane systemy zasilania, które zapewniają precyzyjną regulację i wysokosprawną konwersję mocy, mogą korzystać z niektórych z tych dodatkowych komponentów:

Niestety dla niektórych systemów zasilania, standardowy transformator dostępny od ręki może nie być dostępny dla każdego projektu, a projektant będzie musiał współpracować z producentem na zlecenie, aby wyprodukować transformatory na zamówienie. Wiele projektów referencyjnych dla produktów zasilających może używać transformatorów na zamówienie, lub będą rekomendować dostępny od ręki materiał rdzenia i formierkę cewki. Te dostępne od ręki opcje mogą być nadal montowane zautomatyzowanym procesem nawijania, lub nawijanie na zamówienie może być zaprojektowane dla nowatorskich systemów zasilania.

Kiedy potrzebujesz znaleźć którykolwiek z typów transformatorów pokazanych powyżej, użyj zaawansowanych funkcji wyszukiwania i filtracji w Octopart. Korzystając z wyszukiwarki elektroniki Octopart, będziesz miał dostęp do aktualnych danych cenowych dystrybutorów, zapasów części i specyfikacji części, i wszystko to jest swobodnie dostępne w przyjaznym dla użytkownika interfejsie. Zajrzyj na naszą stronę z układami scalonymi, aby znaleźć potrzebne komponenty.

Zostań na bieżąco z naszymi najnowszymi artykułami, zapisując się do naszego newslettera.