Các Loại Biến Áp cho Ứng Dụng Điện Tử Công Suất

Created: Tháng Hai 3, 2022
Updated: Tháng Bảy 1, 2024

Các loại biến áp thông dụng và thông số kỹ thuật

Bất kỳ hệ thống điện nào yêu cầu sự chuyển đổi chính xác, điều chỉnh và an toàn thông qua cách ly sẽ sử dụng biến áp như các yếu tố ghép nối điện. Cho đến khi bạn phải thiết kế một hệ thống chuyển đổi điện, có lẽ bạn chưa từng xem xét kỹ lưỡng về các loại biến áp khác nhau có sẵn cho các thiết bị này. Cả bộ chuyển đổi AC-DC và DC-DC đều sử dụng biến áp để cung cấp chuyển đổi điện có cách ly galvanic trong khi đảm bảo an toàn, nhưng điều này đòi hỏi phải chọn đúng loại biến áp có thể xử lý năng lượng và yêu cầu an toàn của hệ thống.

Trong bài viết này, chúng ta sẽ xem xét một số đặc điểm của các loại biến áp thông dụng được sử dụng trong điện tử công suất, đặc biệt là biến áp gắn trên bảng mạch cho chuyển đổi AC-DC và DC-DC. Ngoài các loại biến áp cơ bản, chúng ta sẽ xem xét một số thông số chính của các linh kiện này vì chúng sẽ hạn chế khả năng áp dụng cho một biến áp cụ thể. Cuối cùng, nếu bạn không thể tìm thấy một biến áp sẵn có trên thị trường cho hệ thống của mình, thì bạn sẽ cần phải thiết kế một biến áp cho hệ thống của mình.

Các Loại Biến Áp Thông Dụng và Thông Số Kỹ Thuật

Biến áp là các thành phần cảm ứng với vật liệu lõi từ có chức năng chính là chuyển đổi tín hiệu đầu vào thành tín hiệu đầu ra ở (lý tưởng) một điện áp/dòng điện khác nhau tùy thuộc vào tỷ lệ vòng dây của cuộn sơ cấp và thứ cấp. Mặc dù có cấu trúc tương đối đơn giản, biến áp là các thành phần phức tạp có nhiều thông số quan trọng.

Thông Số Kỹ Thuật Biến Áp Quan Trọng

Các loại biến áp và ứng dụng khác nhau sẽ tập trung nhiều hơn vào một số thông số nhất định. Một số thông số biến áp chính bao gồm:

Điện trở quấn dây DC - Điện trở quấn dây ảnh hưởng đến việc các thành phần từ học sẽ nóng lên như thế nào trong quá trình hoạt động, đặc biệt là trong các hệ thống chuyển đổi công suất cao nơi mà nhiều năng lượng có thể bị mất dưới dạng nhiệt Joule.

Giới hạn tần số chuyển mạch - Khi được sử dụng trong chuyển đổi và điều chỉnh công suất, biến áp sẽ có một số giới hạn tần số chuyển mạch được xác định bởi các yếu tố nhiễu và khả năng xử lý công suất trung bình của chúng. Các giá trị điển hình cho từ học phẳng dòng cao nằm trong khoảng từ 100 kHz đến 1 MHz. Cũng có thể có giới hạn về chu kỳ làm việc vì điều này sẽ xác định mức tiêu hao công suất trung bình.

Điện dung quấn dây - Điện dung giữa các vòng dây và điện dung trong mỗi vòng dây sẽ xác định cách nhiễu có thể ghép nối qua các cuộn dây của biến áp, cũng như cách một xung ESD có thể lan truyền qua các cuộn dây. Nó cũng xác định giới hạn tần số chuyển mạch trong các bộ điều chỉnh công suất; điện dung thấp hơn tương ứng với giới hạn tần số chuyển mạch cao hơn.

Độ tự cảm rò rỉ - Đây là cơ chế chính mà qua đó sức mạnh của trường từ sẽ được giảm bớt trong quá trình hoạt động. Trường từ sẽ không được giữ hoàn toàn trong cuộn dây của một thành phần từ, vì vậy sẽ có sự chuyển giao không hoàn hảo của từ thông giữa cuộn sơ cấp và thứ cấp.

Cách ly Pri-sec - Sự cách ly giữa các cuộn dây được liệt kê dưới dạng giá trị điện áp (hoặc xung hoặc DC). Đây là một biện pháp của khả năng chống đứt gãy giữa các cuộn dây. Điện áp cách ly có thể đạt mức kV trong một số biến áp. Điều này quan trọng cho an toàn trong các hệ thống điện cách ly vì điều này sẽ xác định mức độ cách ly galvanic mà linh kiện có thể cung cấp.

Phong cách lắp đặt - Các phương pháp lắp đặt trên bảng bao gồm lắp đặt bằng tab, đặt SMD, hoặc lắp đặt xuyên lỗ. Phong cách lắp đặt sẽ xác định khả năng chống rung động cơ học trong quá trình hoạt động của một biến áp.

Phương pháp làm mát - Một số biến áp, như biến áp phẳng, có thể khó làm mát qua luồng không khí ép vì chúng quá nhỏ gọn. Một phương pháp làm mát có thể được chỉ định để nhiệt có thể được tản ra qua gói vào một tản nhiệt hoặc vào bảng mạch. Một số biến áp có thể được lắp đặt trực tiếp vào vỏ để cung cấp khả năng tản nhiệt tối đa.

Tổng cộng, những thông số kỹ thuật này sẽ xác định giới hạn điện áp và dòng điện được áp đặt lên linh kiện. Chúng cũng sẽ giới hạn khả năng áp dụng của biến áp cho các thiết kế cụ thể, do đó chúng ta phân loại các loại biến áp dựa trên ứng dụng điện hơn là mức công suất. Những điểm này, cũng như xếp hạng cách ly, nên được so sánh với các quy định an toàn hoặc tiêu chuẩn ngành để đảm bảo một thiết kế có thể đạt được mục tiêu an toàn.

Các Loại Biến Áp

Cấu trúc, bao bì, và hình dạng học của một biến áp sẽ xác định cách nó được phân loại. Các loại biến áp khác nhau sẽ có các đặc tính hoạt động khác nhau cũng như cấu trúc (ví dụ, autotransformers). Hầu hết các biến áp là loại lõi hoặc loại vỏ, như được hiển thị trong hình dưới đây. Điều này sẽ xác định mức độ tuân thủ UL của chúng, cũng như hoạt động của chúng ở tần số cao hơn.

Biến Áp Công Suất

Về mặt kỹ thuật, tất cả các biến áp đều sẽ chuyển đổi công suất, nhưng biến áp công suất được thiết kế cụ thể cho việc chuyển đổi công suất chính. Các biến áp này được thiết kế để cung cấp chuyển đổi công suất hiệu quả cao giữa các mức điện áp đầu vào. Các linh kiện này chủ yếu được sử dụng trong chuyển đổi điện AC-AC (đơn pha hoặc ba pha) ở tần số dòng điện với các xếp hạng đạt đến hàng trăm VA hoặc kVA. Giới hạn tần số thấp cho các linh kiện này vì chúng không cần hoạt động ở các tần số chuyển mạch tìm thấy trong bộ chuyển đổi DC-DC.

Do tần số thấp, tiếng ồn hoặc ESD có thể kết nối qua khoảng trống trong biến áp, vì vậy cách ly có thể thấp ở tần số cao. Một cách để khắc phục điều này là nối các mặt đất ở mỗi bên của các cuộn dây chính và phụ với một tụ điện an toàn (thường là loại Y), nơi dung lượng lớn hơn dung lượng nhiễu của biến áp. Điều này hướng tiếng ồn ra khỏi các mạch nhạy cảm và trở lại một kết nối GND theo lựa chọn của bạn bằng cách tạo ra một đường dẫn dòng điện trở kháng thấp, cách này có thể tạo ra một mối nguy hiểm an toàn tại cổng GND của nguồn cung cấp điện nếu dòng điện nhiễu GND lớn.

Biến Áp Có Tấm Chắn

Một biến áp có lớp chắn sẽ có khả năng cách ly cao hơn do vật liệu lõi và bao bì cung cấp thêm lớp chắn chống lại nhiễu RF. Cụ thể, điều này giải quyết nhiễu tần số cao từ phía sơ cấp (như từ nguồn điện chính) và cố gắng ngăn chặn nó truyền sang phía thứ cấp qua các thành phần parasitic của linh kiện. Bao bì cũng ngăn chặn sự truyền điện áp xung/điện áp xung kích lớn hơn qua dung kháng giữa các cuộn dây.

Biến Áp Cách Ly

Tất cả các biến áp đều cung cấp cách ly, nhưng một biến áp cách ly được thiết kế để cung cấp giá trị cách ly rất cao cho các nhiệm vụ truyền dữ liệu tốc độ thấp và trung bình với công suất thấp. Chúng cũng phù hợp cho các nguồn điện áp thấp trong hệ thống điện thương mại và công nghiệp. Một số ứng dụng điện và dữ liệu nơi một biến áp cách ly sẽ được sử dụng bao gồm:

Giao diện dữ liệu nối tiếp cách ly (RS-485, RS-422, và RS-232)
Giao diện CAN cách ly
Vòng dòng điện AC cách ly 4 – 20 mA
Thiết bị điều khiển và cảm biến
Hệ thống thẻ DAQ cách ly
Các giao diện bus cách ly khác
Chuyển đổi công suất thấp ở điện áp tiêu chuẩn (24 V, 48 V, v.v.)

Cách ly trong các ứng dụng này nhằm bảo vệ thiết bị nhạy cảm khỏi nhiễu và ESD. Đây thường là các ứng dụng dòng điện thấp, vì vậy an toàn ít được xem xét hơn, mặc dù biến áp cách ly cũng cung cấp an toàn cho bất kỳ người dùng nào tương tác với thiết bị.

Biến Áp Chuyển Mạch

Các thiết bị này được thiết kế để sử dụng trong các bộ chuyển đổi AC-DC hoặc DC-DC hoạt động xung quanh tần số chuyển mạch kHz, như bộ chuyển đổi flyback. Thực tế, biến áp chuyển mạch được phân loại thành biến áp flyback, biến áp LLC, hoặc có thể là một số tên khác dựa trên mạch mà nó sẽ được sử dụng. Tần số chuyển mạch của các thành phần này sẽ bị giới hạn bởi độ tự cảm của cuộn dây, độ tự cảm rò rỉ, và các parasitic.

Ngoài ra, độ tự cảm của cuộn dây quan trọng trong các bộ chuyển đổi cộng hưởng vì độ tự cảm từ hóa sẽ xác định khả năng của bộ chuyển đổi hoạt động như một bộ chuyển đổi buck hoặc boost. Khả năng này làm cho các bộ chuyển đổi cộng hưởng LLC cách ly rất hữu ích khi cần theo dõi chính xác cao cùng với công suất đầu ra cao. Một số ứng dụng sử dụng cấu trúc cầu cách ly đang trở nên phổ biến hơn trong các ứng dụng sạc nhanh, như xe điện.

Biến Áp RF và Biến Áp Âm Thanh

Các thành phần này thường không được nhóm lại với nhau, nhưng chúng thực hiện các chức năng tương tự. Các biến áp này cung cấp chuyển đổi công suất cho tín hiệu hình sin hoặc tín hiệu điều chế, giống như các biến áp khác. Chức năng khác của chúng là cung cấp khớp trở kháng cho cổng vào và/hoặc cổng ra trên thiết bị. Sự khác biệt lớn giữa các thành phần này là xếp hạng tần số của chúng; biến áp âm thanh rõ ràng giới hạn ở tần số âm thanh, trong khi biến áp RF có thể có băng thông cao đến khoảng 10 GHz. Các thành phần này cũng có sẵn dưới dạng biến áp RF balun.

Autotransformer

Loại biến áp này có cuộn dây sơ cấp và thứ cấp được liên kết điện, nơi mà hai cuộn dây được tách biệt bởi một điểm nối dọc theo thân cuộn dây liên kết. Về mặt kỹ thuật, bất kỳ loại biến áp nào ở trên cũng có thể được xây dựng như là biến áp tự ngẫu, nhưng chúng thường được sử dụng cho việc chuyển đổi công suất (gọi là “biến áp tự ngẫu công suất”). So với các loại biến áp lõi và vỏ thông thường, một biến áp tự ngẫu cung cấp sự kết nối mạnh mẽ hơn và sẽ có tổn thất rò rỉ thấp hơn. Với một mức độ chuyển đổi và độ tự cảm nhất định, chúng thường có giá thành rẻ hơn và trọng lượng nhẹ hơn.

Điện tử công suất tiếp tục phát triển

Trong năm 2021, khi ngày càng có nhiều vốn đầu tư chảy vào các công ty công nghệ sáng tạo và xe điện đang trở thành chuẩn mực, ngành công nghiệp đang hướng tới việc điện khí hóa và cung cấp điện năng hiệu quả ở mọi cấp độ. Các hệ thống chuyển đổi công suất cho các ứng dụng này cần cung cấp dòng điện cao ở điện áp vừa phải đồng thời cung cấp cách ly, đây chính xác là nơi mà biến áp lý tưởng. Các hệ thống điện cách ly cung cấp điều chỉnh chính xác và chuyển đổi công suất hiệu quả cao có thể được hưởng lợi từ một số thành phần bổ sung này:

Thật không may cho một số hệ thống điện, một biến áp tiêu chuẩn sẵn có có thể không có sẵn cho mọi thiết kế, và một nhà thiết kế sẽ cần phải làm việc với một nhà sản xuất hợp đồng để sản xuất biến áp tùy chỉnh. Nhiều thiết kế tham khảo cho các sản phẩm điện có thể sử dụng biến áp tùy chỉnh, hoặc họ sẽ khuyến nghị một vật liệu lõi và cuộn dây sẵn có. Những lựa chọn sẵn có này vẫn có thể được lắp ráp với quy trình quấn tự động, hoặc quấn tùy chỉnh có thể được thiết kế cho các hệ thống điện mới lạ.

Khi bạn cần tìm bất kỳ loại biến áp nào được hiển thị ở trên, sử dụng các tính năng tìm kiếm và lọc nâng cao trên Octopart. Khi bạn sử dụng công cụ tìm kiếm điện tử của Octopart, bạn sẽ có quyền truy cập vào dữ liệu giá của nhà phân phối cập nhật, hàng tồn kho, và thông số kỹ thuật của bộ phận, và tất cả đều dễ dàng truy cập trong một giao diện thân thiện với người dùng. Hãy xem trang mạch tích hợp của chúng tôi để tìm các linh kiện bạn cần.

Hãy cập nhật với các bài viết mới nhất của chúng tôi bằng cách đăng ký nhận bản tin của chúng tôi.