Шта узрокује пораст температуре у високофреквентним трансформаторима?

Пораст температуре је један од најважнијих термичких индикатора када се оцењује високофреквентни трансформатор за прекидачко напајање. Трансформатор може да испуни своје захтеве за напон, струју и изолацију током електричног тестирања, али прекомерно повећање температуре и даље може да смањи ефикасност, скрати век изолације и створи проблеме са поузданошћу у непрекидним-применама.

За инжењере и тимове за куповину, кључно питање није једноставно„Колико се загрева трансформатор?“То је одакле долази топлота и који су дизајнерски параметри одговорни за то.

У практичном трансформатору за прекидачко напајање, пораст температуре је углавном повезан са губитком језгра, губитком намотаја, радном фреквенцијом, густином струје, топлотним отпором, конструкцијом намотаја и околним радним условима.

1. Губитак језгра је један од главних извора топлоте

Магнетно језгро непрекидно доживљава промену магнетног флукса током рада на високим{0}}оцима. Део електричне енергије се стога претвара у топлоту унутар језгра.

Губитак језгре је генерално повезан са два главна механизма:

Губитак хистерезе

Губитак вртложне струје

Како се фреквенција пребацивања повећава, губитак језгра може постати значајан топлотни фактор. Однос није једноставно пропорционалан фреквенцији јер материјал језгра, густина флукса, таласни облик и температура такође утичу на стварни губитак.

За трансформатор који ради на вишој фреквенцији, избор језгра трансформатора постаје посебно важан.

Коришћење материјала језгра који је погодан за рад са нижим{0}}фреквенцијама не значи нужно да ће обезбедити прихватљиве перформансе на вишој фреквенцији пребацивања.

Шта може повећати температуру језгра?

Неколико параметара може повећати губитак језгра:

Прекомерна густина флукса

Већа фреквенција пребацивања

Неодговарајући материјал језгра

Висока радна температура

Нетачан број примарних завоја

Не-идеални магнетни таласни облик

Због тога се дизајн трансформатора не може заснивати само на односима снаге и напона. Такође се мора узети у обзир магнетна радна тачка.

2. Губитак бакра узрокује пораст температуре намотаја

Други главни извор топлоте је губитак намотаја.

Основни ДЦ губитак бакра може се изразити као:

Пцу=И²Р

где:

Пцу=губитак бакра

И=струја намотаја

Р=отпор намотаја

Овај однос је посебно важан јер се губитак бакра брзо повећава како се струја повећава.

На пример, ако се струја намотаја повећа за 20%, теоретски губитак И²Р се повећава за приближно 44%, под претпоставком да отпор остане непромењен.

Стога, намотај који ради удобно на једном нивоу оптерећења може доживети знатно већи пораст температуре када трансформатор ради близу своје максималне називне снаге.

3. Висока-струја фреквенције ствара додатни губитак намотаја

За високофреквентни трансформатор, израчунавање само једносмерног отпора није довољно.

На вишим фреквенцијама пребацивања, дистрибуција струје унутар проводника постаје не-уједначена због:

Ефекат коже

Ефекат близине

АЦ отпор

Скин ефекат узрокује да се високо{0}}струја концентрише ка спољашњем делу проводника уместо да се равномерно распоређује по целом његовом-пресеку.

Ефекат близине настаје када магнетна поља из суседних проводника мењају дистрибуцију струје унутар намотаја.

Као резултат тога, ефективни отпор наизменичне струје може бити већи од отпора једносмерне струје.

То значи да једноставно повећање површине попречног{0}}попречног пресека бакра не решава увек топлотни проблем-високе фреквенције. Конструкција намотаја и распоред проводника такође су важни.

4. Густина струје директно утиче на топлотне перформансе

Густина струје је још један важан параметар дизајна.

Ако се превише струје провуче кроз проводник са недовољном ефективном површином попречног-пресека, намотај производи више топлоте.

За прилагођени трансформатор, дизајнер треба да уравнотежи:

Струја → величина проводника → простор намотаја → губитак бакра → пораст температуре

Повећање величине проводника може смањити отпор и губитак бакра, али је доступна површина прозора магнетног језгра ограничена.

Ово ствара практичан компромис{0}}у дизајну.

Произвођач трансформатора стога треба да узме у обзир не само потребну струју већ и:

Примарна струја

Секундарна струја

Пречник жице

Број паралелних жица

Слојеви за намотавање

Доступан прозор за навијање

Дебљина изолације

Распоред намотаја

Ово је посебно важно за компактне трансформаторе за прекидачко напајање, где је расположиви простор за намотаје ограничен.

5. Величина трансформатора утиче на расипање топлоте

Производња топлоте је само половина топлотног проблема.

Друга половина је колико ефикасно трансформатор може ослободити ту топлоту.

Трансформатор са истим електричним губицима може имати веома различите перформансе{0}}пораста температуре у зависности од његове физичке конструкције.

Важни фактори укључују:

Површина језгра

Димензије бобина

Површина намотаја

Материјал за инкапсулацију

Начин монтаже

ПЦБ распоред

Проток ваздуха

Температура околине

Компактни трансформатор може имати одличне електричне перформансе, али мању површину за дисипацију топлоте.

Ово је један од разлога зашто минијатуризацију не треба третирати као једноставно смањење физичких димензија постојећег трансформатора.

6. Материјали за изолацију и инкапсулацију такође утичу на топлотне перформансе

Материјали који окружују намотај утичу на путању кроз коју топлота путује даље од бакра.

У неким конструкцијама трансформатора, изолациони материјали, траке, бобине или мешавине за заливање стварају додатни топлотни отпор.

За електронски трансформатор дизајниран за континуирани рад, произвођач треба да узме у обзир и електричну изолацију и топлотни пренос.

Често постоји{0}}замјена између:

Диелектрична изолација

Пузање и клиренс

Механичка заштита

Топлотна проводљивост

Доступан простор за намотавање

Дизајн који обезбеђује одличну електричну изолацију, али ограничава пренос топлоте може захтевати додатно термичко разматрање.

7. Радна фреквенција је параметар топлотног дизајна

Фреквенција утиче и на губитак у језгру и на губитак намотаја, па је треба узети у обзир када се процењује пораст температуре трансформатора.

Повећање фреквенције пребацивања може омогућити мање магнетно језгро и мање окрета у неким дизајнима. Међутим, то не значи да виша фреквенција аутоматски производи хладнији трансформатор.

На вишим фреквенцијама, дизајнери се могу суочити са:

Повећан губитак језгра

Повећан губитак бакра наизменичном струјом

Већи ефекат коже

Јачи ефекат близине

Већа паразитска капацитивност

Тежа контрола ЕМИ

Према томе, оптимална фреквенција пребацивања је одлука о дизајну-нивоа система, а не једноставан избор „више је боље“.

8. Услови оптерећења имају велики утицај на пораст температуре

Не треба очекивати да ће трансформатор који ради са 30% оптерећења и онај који ради непрекидно са 100% оптерећења имати исто термичко понашање.

За апликације за напајање, тестирање температуре треба да узме у обзир стварне услове рада, укључујући:

За ОЕМ апликације, стога је корисно одредити да ли ће трансформатор радити континуирано при називном оптерећењу или под повременим радом.

9. Температура околине мења доступну термичку маргину

Пораст температуре не треба разматрати независно од температуре околине.

На пример, ако трансформатор има пораст температуре од 50 степени и ради у амбијенталном окружењу од 25 степени, његова приближна температура намотаја или површине може да се приближи:

25 степени + 50 степен=75 степен

Ако исти трансформатор ради у окружењу од 50 степени, одговарајућа температура би се могла приближити:

50 степени + 50 степен=100 степен

Сам пораст температуре може бити сличан, али апсолутна радна температура је веома различита.

Ово је посебно важно за опрему инсталирану унутра:

Индустријски контролни ормани

Опрема за пуњење електричних возила

ПВ инвертори

Системи за складиштење енергије

Аутомобилска електроника

Медицински извори напајања

Затворена потрошачка електроника

За ове примене, трансформатор треба проценити у складу са стварним условима околине и затвореног простора, а не само у лабораторијској собној температури.

10. Распоред намотаја може направити значајну разлику

Структура намотаја утиче и на електричне перформансе и на термичко понашање.

На пример, различити распореди намотаја се могу променити:

Индуктивност цурења

Капацитивност међунамотаја

АЦ отпор

Пренос топлоте

Удаљеност изолације

Доступна површина бакра

Лоше распоређен намотај може створити локалне вруће тачке чак и када се чини да је просечна температура трансформатора прихватљива.

За прилагођени високофреквентни трансформатор, конструкцију намотаја стога треба размотрити заједно са електричним захтевима.

У зависности од примене, произвођач може проценити:

Намотавање слоја

Секцијски намотај

Паралелни проводници

Литз жица

Примарни/секундарни аранжман

Интерлеавед виндинг

Систем изолације

Одговарајуће решење зависи од радне фреквенције, струје, напона, захтева за изолацијом и физичких ограничења.

11. Како произвођачи контролишу пораст температуре

Поуздан произвођач високофреквентних трансформатора не решава пораст температуре једним параметром.

Термичке перформансе се обично решавају кроз неколико дизајнерских одлука.

Цоре Селецтион

Изаберите магнетни материјал и величину језгра који одговарају радној фреквенцији, снази и густини флукса.

Примари Турнс

Број примарних навоја мора да одржава одговарајућу густину магнетног флукса под стварним улазним{0}}напоном и условима пребацивања.

Виндинг Десигн

Изаберите величину проводника и конфигурацију намотаја у складу са РМС струјом и високо{0}}ефектима, а не само отпором на једносмерну струју.

Оптимизација губитака

Смањите непотребне губитке језгра и бакра кроз одговарајући избор материјала и конструкцију намотаја.

Тхермал Патх

Размотрите како се топлота креће од језгра и намотаја до бобине, ПЦБ-а, кућишта и околног ваздуха.

Оперативна маржа

Пројектовање тачно на теоретској граници оставља мало простора за варијације у улазном напону, оптерећењу, температури околине, производним толеранцијама и стварним условима примене.

12. Пораст температуре треба тестирати у реалним условима

За ОЕМ и индустријску примену, теоретски прорачуни треба да буду подржани стварним тестирањем.

Типична евалуација може укључивати:

Рад трансформатора на наведеном улазном напону.

Примена потребне фреквенције пребацивања.

Учитавање секундара на наведену излазну снагу.

Омогућавање трансформатору да постигне термичку равнотежу.

Мерење температуре намотаја, језгра или површине.

Поређење измерене температуре са назначеном топлотном границом.

Подешавање теста је важно.

На пример, трансформатор монтиран на отворену лабораторијску опрему може да расипа топлоту другачије од истог трансформатора инсталираног унутар компактног ПЦБ склопа.

Због тога би купци требало да дају произвођачу стварне услове примене кад год је то могуће.

13. Које информације купци треба да обезбеде за термички дизајн?

Када захтевају од произвођача трансформатора по мери да развије трансформатор високе фреквенције, купци треба да обезбеде више од улазног и излазног напона.

Следеће информације могу значајно побољшати термички дизајн:

Ове информације омогућавају произвођачу да процени трансформатор као део комплетног{0}}система за конверзију снаге уместо да га третира као изоловану магнетну компоненту.

14. Пораст температуре је пројектована равнотежа, а не само резултат теста

Резултат{0}}пораст ниске температуре је вредан, али не треба да се процењује независно.

За високофреквентни трансформатор, топлотне перформансе су уско повезане са:

Губитак језгре + губитак бакра + фреквенција пребацивања + густина струје + конструкција намотаја + расипање топлоте + радно окружење

Промена једног параметра може утицати на неколико других.

На пример, повећање фреквенције пребацивања може дозволити мање језгро, али резултирајуће повећање губитака језгра и намотаја наизменичне струје може створити нови топлотни проблем.

Слично, коришћење дебље жице може смањити отпор једносмерне струје, али може повећати захтеве за простором за намотаје или утицати на паразитске карактеристике.

Стога циљ није једноставно да трансформатор "ради хладно". Циљ је да се постигне балансиран магнетни, електрични, топлотни и изолациони дизајн за стварну примену.

Закључак

Пораст температуре у високофреквентном трансформатору углавном долази од губитака у магнетном језгру и губитака у намотају, али коначне топлотне перформансе зависе од много више од ова два фактора.

Материјал језгра, густина флукса, фреквенција пребацивања, избор проводника, структура намотаја, густина струје, величина трансформатора, изолациони систем, температура околине, проток ваздуха и профил оптерећења доприносе коначној радној температури.

За апликације за прекидачко напајање, најбољи приступ је процена пораста температуре током фазе пројектовања трансформатора уместо покушаја решавања термичких проблема након што је прототип завршен.

Када радите са прилагођеним произвођачем високофреквентних трансформатора, обезбеђивање потпуних електричних и радних услова омогућава да се дизајн трансформатора оптимизује не само за напон и снагу, већ и за дугорочну{0}}термичку поузданост.