Типы трансформаторов для применения в силовой электронике

Создано: 3 Февраля, 2022
Обновлено: 1 Июля, 2024

Любая система питания, требующая точного преобразования, регулирования и безопасности за счет изоляции, будет использовать трансформаторы в качестве элементов силовой связи. Пока вы не столкнулись с задачей разработки системы преобразования энергии, вы, вероятно, не углублялись в изучение различных типов трансформаторов, доступных для этих устройств. Как преобразователи переменного тока в постоянный, так и преобразователи постоянного тока в постоянный используют трансформаторы для обеспечения гальванически изолированного преобразования энергии, обеспечивая при этом безопасность, но это требует выбора правильного трансформатора, который может справиться с требованиями системы к мощности и безопасности.

В этой статье мы рассмотрим некоторые характеристики общих типов трансформаторов, используемых в силовой электронике, в частности, трансформаторов для монтажа на плате для преобразования переменного тока в постоянный и постоянного тока в постоянный. Помимо основных типов трансформаторов, мы рассмотрим некоторые основные характеристики этих компонентов, поскольку они будут ограничивать применимость для данного трансформатора. Наконец, если вы не можете найти трансформатор готовой конструкции для вашей системы, тогда вам потребуется разработать трансформатор для вашей системы.

Общие типы трансформаторов и характеристики

Трансформаторы - это индуктивные компоненты с магнитным сердечником, основная функция которых заключается в преобразовании входного сигнала в выходной с (в идеале) другим напряжением/током в зависимости от соотношения витков первичной и вторичной обмоток. Несмотря на кажущуюся простоту конструкции, трансформаторы - это сложные компоненты, имеющие множество важных характеристик.

Важные характеристики трансформаторов

Различные типы трансформаторов и приложения будут уделять больше внимания определенным характеристикам. Некоторые из основных характеристик трансформаторов включают:

Сопротивление обмотки постоянному току - Сопротивление обмотки влияет на то, как магнитные компоненты будут нагреваться во время работы, особенно в системах преобразования высокой мощности, где много энергии может теряться в виде джоулева нагрева.

Предел частоты переключения - При использовании в преобразовании и регулировании мощности трансформаторы будут иметь некоторый предел частоты переключения, который определяется их паразитными характеристиками и средней способностью обработки мощности. Типичные значения для высокотоковых планарных магнитных компонентов находятся в диапазоне от 100 кГц до 1 МГц. Также может быть ограничение по рабочему циклу, поскольку это будет определять среднее рассеивание мощности.

Емкости обмоток - Межобмоточная и внутриобмоточная емкости будут определять, как шум может передаваться через катушки трансформатора, а также как импульс ЭСР может распространяться через катушки. Это также определяет пределы частот переключения в регуляторах мощности; меньшие емкости соответствуют более высоким пределам частоты переключения.

Индуктивность утечки - Это основной механизм, с помощью которого будет снижена сила магнитного поля во время работы. Магнитное поле не будет полностью ограничено в катушке магнитного компонента, поэтому будет неполная передача магнитного потока между первичной и вторичной обмотками.

Изоляция первичной и вторичной обмоток - Изоляция между обмотками указывается как значение напряжения (импульсное или постоянное). Это мера сопротивления пробою между обмотками. Напряжение изоляции может достигать уровня кВ в некоторых трансформаторах. Это важно для безопасности в изолированных электросистемах, поскольку это определяет уровень гальванической изоляции, которую может обеспечить компонент.

Способ монтажа - Методы монтажа на плату включают монтаж на вкладыши, установку SMD или монтаж через отверстие. Способ монтажа определит способность трансформатора выдерживать механические вибрации во время работы.

Метод охлаждения - Некоторые трансформаторы, такие как планарные трансформаторы, могут быть сложными для охлаждения с помощью принудительного воздушного потока из-за их компактности. Может быть указан метод охлаждения, чтобы тепло могло рассеиваться через корпус в радиатор или в плату. Некоторые трансформаторы могут быть установлены непосредственно на корпус для максимального рассеивания тепла.

В целом, эти спецификации определят ограничения напряжения и тока, налагаемые на компонент. Они также ограничат применимость трансформатора к конкретным конструкциям, поэтому мы классифицируем различные типы трансформаторов на основе электрического применения, а не уровней мощности. Эти моменты, а также класс изоляции, следует сравнивать с нормами безопасности или отраслевыми стандартами, чтобы убедиться, что конструкция может соответствовать целям безопасности.

Типы трансформаторов

Конструкция, упаковка и геометрия трансформатора определят, как он будет классифицирован. Различные типы трансформаторов будут иметь разные рабочие характеристики, а также конструкцию (например, автотрансформаторы). Большинство трансформаторов являются типа с сердечником или с оболочкой, как показано на графике ниже. Это определит их уровень соответствия UL, а также их работу на более высоких частотах.

Силовые трансформаторы

Технически все трансформаторы преобразуют мощность, но силовые трансформаторы специально предназначены для преобразования сетевого напряжения. Эти трансформаторы разработаны для обеспечения высокоэффективного преобразования мощности между уровнями входного напряжения. Эти компоненты в основном используются в преобразовании мощности AC-AC (однофазное или трехфазное) на линейных частотах с номиналами, достигающими сотен ВА или кВА. Частотные ограничения для этих компонентов низкие, поскольку им не требуется работать на коммутационных частотах, найденных в DC-DC преобразователях.

Из-за низких частот, шум или ЭСР могут переходить через зазор в трансформаторе, поэтому изоляция может быть низкой на высоких частотах. Один из способов преодоления этого - соединить земляные плоскости с каждой стороны первичной и вторичной обмоток с помощью безопасного конденсатора (обычно типа Y), где емкость больше, чем паразитные емкости трансформатора. Это направляет шум от чувствительных схем обратно к выбранному вами соединению с GND, создавая путь тока с низким сопротивлением, однако это может создать опасность для безопасности на заземляющем терминале источника питания, если токи шума GND велики.

Экранированный трансформатор

Экранированный трансформатор обладает большей изоляцией, поскольку материал сердечника и упаковка обеспечивают дополнительную защиту от радиочастотных помех. В частности, это касается высокочастотных помех со стороны первичной обмотки (например, от сети питания) и попыток предотвратить их передачу на вторичную сторону через паразитные элементы компонента. Упаковка также предотвращает большую передачу импульсных/перенапряжений через межобмоточную емкость.

Трансформаторы Изоляции

Все трансформаторы обеспечивают изоляцию, но трансформатор изоляции предназначен для обеспечения очень высоких значений изоляции для задач передачи данных низкой мощности и умеренной скорости. Они также хорошо подходят для источников питания низкого напряжения в коммерческих и промышленных энергосистемах. Некоторые из приложений для питания и передачи данных, где будет использоваться трансформатор изоляции, включают в себя:

Изолированные последовательные интерфейсы данных (RS-485, RS-422 и RS-232)
Изолированные интерфейсы CAN
Изолированные токовые петли переменного тока 4 – 20 мА
Исполнительные устройства и датчики
Изолированные системы карт DAQ
Другие изолированные интерфейсы шин
Преобразование низкой мощности при стандартных напряжениях (24 В, 48 В и т. д.)

Изоляция в этих приложениях предназначена для защиты чувствительного оборудования от помех и ЭСР. Это обычно приложения с низким током, поэтому безопасность является менее значимым фактором, хотя трансформаторы изоляции обеспечивают безопасность для любых пользователей, взаимодействующих с оборудованием.

Коммутационные Трансформаторы

Эти устройства предназначены для использования в преобразователях AC-DC или DC-DC, работающих на коммутационных частотах порядка кГц, таких как преобразователи с обратной связью. Фактически, коммутационные трансформаторы подразделяются на трансформаторы с обратной связью, трансформаторы LLC или, возможно, на другие типы в зависимости от схемы, в которой они будут использоваться. Коммутационная частота этих компонентов будет ограничена их индуктивностью катушки, утечной индуктивностью и паразитными элементами.

Кроме того, индуктивность катушки важна в резонансных преобразователях, поскольку магнитизирующая индуктивность определит способность преобразователя функционировать либо как понижающий, либо как повышающий преобразователь. Эта возможность делает изолированные резонансные преобразователи LLC очень полезными, когда требуется высокоточное слежение в сочетании с высокой мощностью выхода. Некоторые приложения, использующие изолированные мостовые топологии, становятся более популярными в приложениях быстрой зарядки, таких как электромобили.

Радиочастотные Трансформаторы и Аудиотрансформаторы

Эти компоненты обычно не группируются вместе, но они выполняют похожие функции. Эти трансформаторы обеспечивают преобразование мощности для синусоидальных или модулированных сигналов, как и другие трансформаторы. Их другая функция - обеспечение согласования импеданса на входных и/или выходных портах устройства. Основное отличие этих компонентов - их частотный диапазон; аудиотрансформаторы, очевидно, ограничены аудиочастотами, в то время как радиочастотные трансформаторы могут иметь полосу пропускания до примерно 10 ГГц. Эти компоненты также доступны как балунные радиочастотные трансформаторы.

Автотрансформатор

Этот тип трансформатора имеет электрически связанные первичную и вторичную обмотки, где обе разделены отводом вдоль тела связанной катушки. Технически любой из вышеупомянутых типов трансформаторов может быть сконструирован как автотрансформатор, но обычно их используют для преобразования мощности (называемого «автотрансформатор мощности»). По сравнению с типичными трансформаторами с сердечником и оболочкой, автотрансформатор обеспечивает более сильную связь и будет иметь меньшие потери утечки. При данном уровне преобразования и индуктивности они, как правило, стоят дешевле и весят меньше.

Электроника мощности продолжает развиваться

В 2021 году, поскольку больше инвестиционного капитала поступило в инновационные технологические компании и электромобили готовы стать нормой, отрасль движется к большей электрификации и эффективной передаче энергии на всех уровнях. Системы преобразования мощности для этих приложений должны обеспечивать высокие токи при умеренных напряжениях, обеспечивая при этом изоляцию, что идеально подходит для трансформаторов. Изолированные системы питания, обеспечивающие точную регулировку и высокоэффективное преобразование мощности, могут извлечь выгоду из некоторых из этих дополнительных компонентов:

К сожалению, для некоторых систем питания стандартный трансформатор, доступный в магазине, может не подойти для каждого проекта, и разработчику придется работать с производителем под заказ для изготовления индивидуальных трансформаторов. Многие эталонные проекты для продуктов питания могут использовать индивидуальные трансформаторы, или они могут рекомендовать материал сердечника и формовщик катушки из стандартного ассортимента. Эти варианты из стандартного ассортимента все еще могут быть собраны с помощью автоматизированного процесса намотки, или для новых систем питания может быть разработана индивидуальная намотка.

Когда вам нужно найти любой из типов трансформаторов, показанных выше, используйте расширенный поиск и функции фильтрации на Octopart. Используя поисковую систему электроники Octopart, вы получите доступ к актуальным данным о ценах дистрибьюторов, инвентаре деталей и спецификациях деталей, и все это доступно в удобном интерфейсе. Посмотрите нашу страницу с интегральными схемами, чтобы найти необходимые компоненты.

Оставайтесь в курсе наших последних статей, подписавшись на нашу рассылку.