Какво причинява повишаване на температурата във високочестотните трансформатори?

Повишаването на температурата е един от най-важните термични показатели при оценката на високочестотен трансформатор за импулсно захранване. Трансформаторът може да отговаря на своите изисквания за напрежение, ток и изолация по време на електрическо изпитване, но прекомерното повишаване на температурата все още може да намали ефективността, да съкрати живота на изолацията и да създаде проблеми с надеждността при непрекъснато-работни приложения.

За инженерите и екипите за закупуване ключовият въпрос не е просто„Колко се нагрява трансформаторът?“Това е откъде идва топлината и кои параметри на дизайна са отговорни за нея.

В практически превключващ захранващ трансформатор повишаването на температурата е свързано главно със загубата в сърцевината, загубата на намотката, работната честота, плътността на тока, термичното съпротивление, конструкцията на намотката и околните работни условия.

1. Загубата на сърцевина е един от основните източници на топлина

Магнитното ядро ​​непрекъснато изпитва промяна на магнитния поток по време на-работа с висока честота. Следователно част от електрическата енергия се преобразува в топлина вътре в ядрото.

Загубата на сърцевина обикновено се свързва с два основни механизма:

Загуба на хистерезис

Загуба на вихров ток

Тъй като честотата на превключване се увеличава, загубата на сърцевина може да се превърне в значителен топлинен фактор. Връзката не е просто пропорционална на честотата, тъй като материалът на сърцевината, плътността на потока, формата на вълната и температурата също влияят върху действителната загуба.

За трансформатор, работещ на по-висока честота, изборът на сърцевината на трансформатора става особено важен.

Използването на материал на сърцевината, който е подходящ за работа с по-ниска{0}}честота, не означава непременно, че ще осигури приемлива производителност при по-висока честота на превключване.

Какво може да повиши основната температура?

Няколко параметъра могат да увеличат загубата в ядрото:

Прекомерна плътност на потока

По-висока честота на превключване

Неподходящ материал на сърцевината

Висока работна температура

Неправилен брой първични обороти

Не{0}}идеална форма на магнитната вълна

Ето защо дизайнът на трансформатора не може да се основава само на съотношения мощност и напрежение. Трябва да се вземе предвид и магнитната работна точка.

2. Загубата на мед причинява повишаване на температурата на намотката

Вторият основен източник на топлина е загубата на намотка.

Основната загуба на DC мед може да се изрази като:

Pcu=I²R

където:

Pcu=загуба на мед

I=ток на намотка

R=съпротивление на намотката

Тази връзка е особено важна, тъй като загубата на мед нараства бързо с увеличаване на тока.

Например, ако токът на намотката се увеличи с 20%, теоретичната загуба на I²R се увеличава с приблизително 44%, ако приемем, че съпротивлението остава непроменено.

Следователно намотка, която работи удобно при едно ниво на натоварване, може да претърпи значително по-голямо повишаване на температурата, когато трансформаторът работи близо до максималната си номинална мощност.

3. Токът с висока-честота създава допълнителни загуби в намотката

За високочестотен трансформатор изчисляването само на постояннотоково съпротивление не е достатъчно.

При по-високи честоти на превключване разпределението на тока вътре в проводника става не-равномерно поради:

Скин ефект

Ефект на близост

AC съпротивление

Скин-ефектът кара високо{0}}честотния ток да се концентрира към външната област на проводника, вместо да се разпределя равномерно в цялото му напречно-сечение.

Ефектът на близост възниква, когато магнитните полета от съседни проводници променят разпределението на тока в намотката.

В резултат на това ефективното AC съпротивление може да бъде по-високо от DC съпротивлението.

Това означава, че простото увеличаване на площта на напречното-сечение на медта не винаги решава -високочестотен топлинен проблем. Конструкцията на намотките и разположението на проводниците също имат значение.

4. Плътността на тока пряко влияе върху топлинните характеристики

Плътността на тока е друг важен проектен параметър.

Ако през проводник с недостатъчна ефективна площ на напречното-сечение преминава твърде много ток, намотката генерира повече топлина.

За персонализиран трансформатор дизайнерът трябва да балансира:

Ток → размер на проводника → пространство на намотката → загуба на мед → повишаване на температурата

Увеличаването на размера на проводника може да намали съпротивлението и загубата на мед, но наличната площ на прозореца на магнитната сърцевина е ограничена.

Това създава практичен компромис{0}}дизайн.

Следователно производителят на трансформатор трябва да вземе предвид не само необходимия ток, но и:

Първичен ток

Вторичен ток

Диаметър на проводника

Брой паралелни проводници

Навиващи се слоеве

Налична вита дограма

Дебелина на изолацията

Подреждане на навиване

Това е особено важно за компактни импулсни захранващи трансформатори, където наличното пространство за намотки е ограничено.

5. Размерът на трансформатора влияе върху разсейването на топлината

Генерирането на топлина е само половината от топлинния проблем.

Другата половина е колко ефективно трансформаторът може да освободи тази топлина.

Трансформатор с еднакви електрически загуби може да има много различни характеристики-на повишаване на температурата в зависимост от физическата му конструкция.

Важните фактори включват:

Площ на сърцевината

Размери на калерчето

Повърхност на навиване

Материал за капсулиране

Метод на монтаж

Оформление на печатни платки

Въздушен поток

Околна температура

Един компактен трансформатор може да има отлична електрическа производителност, но по-малка площ на разположение за разсейване на топлината.

Това е една от причините, поради които миниатюризацията не трябва да се третира като просто намаляване на физическите размери на съществуващ трансформатор.

6. Изолационните и капсуловащите материали също влияят върху топлинните характеристики

Материалите около намотката влияят върху пътя, по който топлината се отдалечава от медта.

В някои трансформаторни конструкции изолационните материали, лентите, бобините или смесите за заливане създават допълнителна топлинна устойчивост.

За електронен трансформатор, проектиран за непрекъсната работа, производителят трябва да вземе предвид както електрическата изолация, така и топлинния трансфер.

Често има компромис-между:

Диелектрична изолация

Пълзене и хлабина

Механична защита

Топлопроводимост

Налично пространство за навиване

Дизайн, който осигурява отлична електрическа изолация, но ограничава преноса на топлина, може да изисква допълнително топлинно внимание.

7. Работната честота е параметър на топлинния дизайн

Честотата влияе както на загубата в сърцевината, така и на загубата в намотката, така че трябва да се има предвид, когато се оценява повишаването на температурата на трансформатора.

Увеличаването на честотата на превключване може да позволи по-малка магнитна сърцевина и по-малко навивки в някои конструкции. Това обаче не означава, че по-високата честота автоматично произвежда по-хладен трансформатор.

При по-високи честоти дизайнерите могат да се сблъскат с:

Повишена загуба на сърцевина

Повишена загуба на AC мед

По-голям скин ефект

По-силен ефект на близост

По-висок паразитен капацитет

По-труден EMI контрол

Следователно оптималната честота на превключване е проектно решение-на системно ниво, а не прост избор „по-високото е по-добро“.

8. Условията на натоварване оказват голямо влияние върху повишаването на температурата

Не трябва да се очаква трансформатор, работещ при 30% натоварване, и такъв, работещ непрекъснато при 100% натоварване, да имат еднакво топлинно поведение.

За приложения за захранване температурното изпитване трябва да вземе предвид действителните работни условия, включително:

Поради това за OEM приложения е полезно да се уточни дали трансформаторът ще работи непрекъснато при номинално натоварване или при периодично натоварване.

9. Околната температура променя наличната топлинна граница

Повишаването на температурата не трябва да се разглежда независимо от температурата на околната среда.

Например, ако даден трансформатор има повишаване на температурата от 50 градуса и работи в околна среда от 25 градуса, неговата приблизителна температура на намотката или повърхността може да се доближи до:

25 градуса + 50 градуса=75 градуса

Ако същият трансформатор работи в околна среда от 50 градуса, съответната температура може да се доближи до:

50 градуса + 50 градуса=100 градуса

Самото повишаване на температурата може да е подобно, но абсолютната работна температура е много различна.

Това е особено важно за оборудване, инсталирано вътре:

Индустриални контролни шкафове

Оборудване за зареждане на EV

PV инвертори

Системи за съхранение на енергия

Автомобилна електроника

Медицински захранвания

Затворена битова електроника

За тези приложения трансформаторът трябва да бъде оценен според действителните условия на околната среда и заграждението, а не само при стайна температура в лабораторията.

10. Подреждането на навиването може да направи значителна разлика

Структурата на намотката влияе както върху електрическите характеристики, така и върху термичното поведение.

Например, различните подредби на намотките могат да се променят:

Индуктивност на утечка

Междунамотаващ капацитет

AC съпротивление

Пренос на топлина

Изолационно разстояние

Наличен мед площ

Лошо подредената намотка може да създаде локални горещи точки, дори когато средната температура на трансформатора изглежда приемлива.

Поради това за персонализиран високочестотен трансформатор конструкцията на намотката трябва да се разглежда заедно с електрическите изисквания.

В зависимост от приложението производителят може да оцени:

Слоево навиване

Секционна намотка

Паралелни проводници

Лиц тел

Първична/вторична подредба

Преплетена намотка

Изолационна система

Подходящото решение зависи от работната честота, тока, напрежението, изискванията за изолация и физическите ограничения.

11. Как производителите контролират повишаването на температурата

Един надежден производител на високочестотни трансформатори не решава повишаването на температурата с един параметър.

Топлинните характеристики обикновено се разглеждат чрез няколко дизайнерски решения.

Основен избор

Изберете магнитен материал и размер на сърцевината, подходящи за работната честота, мощност и плътност на потока.

Първични завои

Броят на първичните навивки трябва да поддържа подходяща плътност на магнитния поток при действителното входно-напрежение и условия на превключване.

Дизайн на навиване

Изберете размера на проводника и конфигурацията на намотката според RMS тока и високо{0}}честотните ефекти, а не само съпротивлението на постоянен ток.

Оптимизация на загубите

Намалете ненужните загуби на сърцевина и мед чрез подходящ избор на материал и конструкция на намотките.

Термален път

Помислете как топлината се движи от сърцевината и намотката към калерчето, печатната платка, корпуса и околния въздух.

Оперативен марж

Проектирането точно на теоретичната граница оставя малко място за вариации във входното напрежение, натоварването, температурата на околната среда, производствените толеранси и действителните условия на приложение.

12. Покачването на температурата трябва да се тества при реалистични условия

За OEM и промишлени приложения теоретичните изчисления трябва да бъдат подкрепени от действителни тестове.

Типичната оценка може да включва:

Работа на трансформатора при зададеното входно напрежение.

Прилагане на необходимата честота на превключване.

Натоварване на вторичната до зададената изходна мощност.

Позволяване на трансформатора да достигне термично равновесие.

Измерване на температурата на намотката, сърцевината или повърхността.

Сравняване на измерената температура с определената топлинна граница.

Тестовата настройка има значение.

Например, трансформатор, монтиран на отворено лабораторно приспособление, може да разсейва топлината по различен начин от същия трансформатор, инсталиран вътре в компактен монтаж на печатна платка.

Ето защо клиентите трябва да предоставят на производителя действителните условия на приложение, когато е възможно.

13. Каква информация трябва да предоставят купувачите за топлинен дизайн?

Когато поискат от производител на персонализирани трансформатори да разработи високочестотен трансформатор, купувачите трябва да предоставят повече от входно и изходно напрежение.

Следната информация може значително да подобри топлинния дизайн:

Тази информация позволява на производителя да оцени трансформатора като част от цялостната-система за преобразуване на енергия, вместо да го третира като изолиран магнитен компонент.

14. Повишаването на температурата е проектен баланс, а не просто резултат от теста

Резултатът от-покачване на ниска температура е ценен, но не трябва да се оценява независимо.

За високочестотен трансформатор термичните характеристики са тясно свързани с:

Загуба в сърцевината + загуба на мед + честота на превключване + плътност на тока + конструкция на намотката + разсейване на топлината + работна среда

Промяната на един параметър може да засегне няколко други.

Например, увеличаването на честотата на превключване може да позволи по-малка сърцевина, но произтичащото от това увеличаване на загубите в сърцевината и AC намотката може да създаде нов топлинен проблем.

По същия начин използването на по-дебел проводник може да намали съпротивлението на постоянен ток, но може да увеличи изискванията за пространство на намотката или да повлияе на паразитните характеристики.

Следователно целта не е просто трансформаторът да "работи хладно". Целта е да се постигне балансиран магнитен, електрически, термичен и изолационен дизайн за действителното приложение.

Заключение

Повишаването на температурата във високочестотен трансформатор идва главно от загуби в магнитната сърцевина и загуби в намотките, но крайната топлинна ефективност зависи от много повече от тези два фактора.

Материалът на сърцевината, плътността на потока, честотата на превключване, изборът на проводник, структурата на намотката, плътността на тока, размерът на трансформатора, изолационната система, температурата на околната среда, въздушният поток и профилът на натоварване допринасят за крайната работна температура.

За приложения с импулсно захранване най-добрият подход е да се оцени повишаването на температурата по време на етапа на проектиране на трансформатора, вместо да се опитвате да разрешите топлинни проблеми след като прототипът е завършен.

Когато работите с персонализиран производител на високочестотни трансформатори, предоставянето на пълни електрически и работни условия позволява дизайнът на трансформатора да бъде оптимизиран не само за напрежение и мощност, но и за дългосрочна-топлинна надеждност.