В чем разница между обычными и планарными импульсными трансформаторами?

Потребность в более высокой эффективности была движущей силой достижений в топологиях с переключением режимов, включая понижающий, повышающий, обратный ход, прямые преобразователи и другие. Требования к устройствам меньшего размера в сочетании с потребностями в более высоких плотностях мощности достигаются с помощью инновационных пакетов компонентов.

Традиционные топологии преобразования мощности MOSFET отвечают этим требованиям путем разработки устройств, предназначенных для работы с меньшими потерями при переключении на более высоких частотах. За последние несколько лет появление устройств с широкой полосой пропускания (WBG), способных работать на еще более высоких частотах, привело к повышению эффективности и уменьшению объема корпуса устройства. Планарные магнитные устройства заменяют традиционные трансформаторы и индукторы в некоторых из этих высокочастотных преобразователях энергии.

Эта статья предлагает краткий ответ на два вопроса: в чем разница между обычными и планарными трансформаторами? Как подобрать максимально эффективный для вашего приложения?

Обычный и планарный трансформаторы

Обычный импульсный трансформатор (рисунок ниже) состоит из первичной и вторичной обмоток, намотанных на катушку и ферритовый сердечник. Изоляция провода и изолирующий слой между витками используются для разделения обмоток. Конфигурация катушки и сердечника определяется топологией схемы.

Пример катушечного и основного трансформатора для импульсного источника питания 100 кГц

Планарный магнитный трансформатор (рисунок ниже) заменяет тонкую медную проволоку, намотанную на катушку, тонкими медными листами, «намотанными» на печатную плату. Печатная плата зажата между ферритовым сердечником и закреплена заклепками.

Плоский планарный трансформатор, оптимизированный для переключения источников питания, работающих на частоте до 700 кГц

Более высокие частоты — меньше магнитные компоненты?

Первым эффектом от увеличения частоты переключения является уменьшение индуктивности магнитных компонентов. Поскольку частоты продолжают расти до нескольких сотен килогерц и попадают в мегагерцовый диапазон, появляются другие факторы, которые могут повлиять на преимущества уменьшения размера от меньшей индуктивности.

Большая частота порождает скин-эффект. Скин-эффект — это стремление переменного тока (AC) распределяться внутри проводника, в результате чего наибольшая плотность тока наблюдается на поверхности проводника и постепенно уменьшается с увеличением «глубины  проводника». Поскольку удельное сопротивление является функцией площади поперечного сечения проводника, результатом скин-эффекта является более высокое сопротивление на более высоких частотах.

Эту проблему можно решить при использовании обычного трансформатора, увеличив диаметр намоточного провода. Другим способом было бы связать несколько проводов меньшего размера. Оба добавляют больше проводящей способности, но они также приводят к увеличению габаритов обмоток. Это, в свою очередь, может привести к увеличению размера сердечника, что приводит к более высоким потерям в сердечнике. Обмотки планарного трансформатора, выполненные из тонкой медной фольги, менее подвержены воздействию скин-эффекта.

Планарные трансформаторы — преимущества

Обмотки в планарном трансформаторе представляют собой плоские куски фольги на печатной плате, что ограничивает число возможных витков. В то же время, большая площадь магнитного поперечного сечения позволяет делать меньше витков. И плоская форма материалов магнитного сердечника обеспечивает большую площадь для мощности рассеивания.

Характер обмоток в «печатном виде» обеспечивает высокую степень согласованности расстояний между витками и слоями. В результате межобмоточная емкость является постоянной, а чередование обмоток позволяет снизить потери проводимости переменного тока. И, как и любое другой макет печатной платы, ползучесть и расстояние зазора используется для удовлетворения требований диэлектрического пробоя. Принимая во внимание все это, планарные трансформаторы обеспечивают превосходную эффективность и высокую степень воспроизводимости.

Преимущества обычных трансформаторов

Если бы не спрос на более высокочастотное оборудование, несколько сомнительно, что планарные трансформаторы будут рассматриваться как альтернатива традиционным трансформаторам. Несмотря на все их очевидные преимущества, и даже в высокочастотных применениях, традиционные трансформаторы с проволочной обмоткой все еще имеют ряд важных преимуществ. Планарные трансформаторы занимают гораздо больше места на печатной плате, чем традиционные трансформаторы. Таким образом, если рассеяние мощности и / или запас по мощности не являются главными соображениями при проектировании, тогда разработчики обычно используют обычный трансформатор.

Наконец, время изготовления традиционных трансформаторов будет меньше, чем для планарных. Образцы могут быть намотаны в течение нескольких дней, и можно быстро внести изменения, чтобы оптимизировать производительность. Планарные устройства требуют печатной платы и специальных инструментов для изготовления материалов магнитного сердечника. В приложениях с очень большими габаритами и большей мощностью планарные трансформаторы обеспечат более высокую производительность и экономичное решение. Но обычные трансформаторы будут ответом почти для любого другого применения.

Работа с опытным поставщиком

В конечном итоге, лучшая идея — работать с квалифицированным поставщиком, который понимает преимущества и недостатки обеих типов трансформаторов. Таким образом, разработчики могут быть уверены в действительно оптимальном решении.

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *