12 Schritte für den Entwurf von SMPS-Transformatoren

Die Entwicklung magnetischer Komponenten für SMPS kann aufgrund der steigenden Anforderungen moderner Elektronikdesigns eine Herausforderung darstellen. Die Befolgung dieser 12 Schritte kann Ingenieuren helfen, die Herausforderungen zu meistern und ein erfolgreiches Projekt zu gewährleisten.

Die folgenden Parameter sind für die Auslegung der magnetischen Komponenten von SMPS wichtig:

• Eingangsspannungsbereich
• Ausgangsspannung
• Ausgangsleistung oder Ausgangsstrom
• Schalthäufigkeit
• Betriebsart
• Maximale Einschaltdauer des IC
• Sicherheitsanforderungen
• Temperatur in der Umgebung
• Anforderungen an die Größe

Schritt 1: Auswahl des Kerns

Treffen Sie Ihre vorläufige Kernauswahl auf der Grundlage der Leistungsanforderungen der Anwendung, der Schalttopologie und der Frequenz. Ferritkerne sind die beste Wahl für Hochfrequenzanwendungen. Für den Betrieb unter 500 KHz verwenden die meisten Entwickler ein Kernmaterial mit einer Permeabilität von 2000 bis 2500. Die Permeabilität variiert erheblich mit dem Temperaturanstieg und der Betriebsflussdichte. Im Allgemeinen hat dies keinen Einfluss auf den Betrieb des Wandlers, solange sich der Kern nicht in der Nähe der Sättigung befindet, da die Induktivität (die die Betriebsart steuert) in erster Linie durch den Luftspalt bestimmt wird. Temperaturanstieg und Betriebsflussdichte wirken sich jedoch auf die Kernverluste aus, und dies muss berücksichtigt werden, um einen zuverlässigen Betrieb zu gewährleisten.

Kernform

Die Kernform und die Fensterkonfiguration sind für die Konstruktion von Hochfrequenztransformatoren wichtig, um die Verluste zu minimieren. Der Bereich des Wicklungsfensters sollte so breit wie möglich sein, um die Breite der Wicklung zu maximieren und die Anzahl der Schichten zu minimieren. Dadurch wird der Wechselstrom-Wicklungswiderstand minimiert.

• EFD- und EPC-Kerne werden verwendet, wenn ein niedriges Profil erforderlich ist.
• EE und EF sind eine gute Wahl und werden in der Regel entweder mit vertikalen oder horizontalen Spulen verwendet (vertikale Spulen sind gut, wenn der Platz auf der Stellfläche begrenzt ist).
• ETD- und EER-Kerne sind in der Regel größer, haben aber einen großen Wicklungsbereich, wodurch sie sich besonders für Designs mit höherer Leistung und mehreren Ausgängen eignen.
• PQ-Kerne sind teurer, brauchen aber etwas weniger Platz auf der Leiterplatte und benötigen weniger Umdrehungen als E-Kerne.
• Für einen randgewickelten Transformator ist eine größere Kerngröße erforderlich als für einen dreifach isolierten Transformator, um Platz für die Ränder zu schaffen.

Kerngröße

Es gibt viele Variablen, die bei der Schätzung der geeigneten Kerngröße eine Rolle spielen.

• Eine Möglichkeit, den richtigen Kern auszuwählen, ist die Kernauswahlhilfe des Herstellers.
• Das Kernbereichsprodukt (W_aA_c), die sich aus der Multiplikation der Kernquerschnittsfläche mit der für die Wicklung verfügbaren Fensterfläche ergibt, wird häufig für eine erste Schätzung der Kerngröße für eine bestimmte Anwendung verwendet.
• Die Leistungsaufnahme des Kerns ist nicht linear mit dem Flächenprodukt oder dem Kernvolumen skalierbar. Ein größerer Transformator muss mit einer geringeren Leistungsdichte arbeiten, da die wärmeableitende Fläche nicht proportional zum wärmeproduzierenden Volumen zunimmt.

Die nachstehende Tabelle gibt einen Überblick über die Kerntypen in Abhängigkeit vom Leistungsdurchsatz:

Die W_aA_c / Leistung erhält man durch:

K_f = Formfaktor; für Rechteckwellen K_f = 4
K_u = Fensternutzungsfaktor
J = Stromdichte
B_max = Betriebliche Flussdichte
F = Schalthäufigkeit
P_o = Ausgangsleistung

Schritt 2: Spannungs-Zeit-Produkt (V-µSec) Wert

Bestimmen Sie die V-T Wert auf der Grundlage des maximal zulässigen Arbeitszyklus und der Frequenz

Schritt 3: Primäre Drehungen

Bestimmen Sie die Mindestanzahl der Primärwindungen, die erforderlich sind, um den ungünstigsten Fall zu unterstützen V-T Wert.

Anmerkung: B < 0.3T für Ferrit

Schritt 4: Umdrehungsverhältnis

Berechnen Sie das Verhältnis von Sekundär- zu Primärwindungen

Isolierte Topologie	Verhältnis Sekundär-/Primärumdrehungen
Flyback
Forward
Push-Pull
Halbbrücke
Vollbrücke

Hinweis: Diodenabfall V_d = 0.5-1V

Schritt 5: Sekundäre Drehungen

Wählen Sie die genaue Anzahl der primären und sekundären Abbiegevorgänge, die Sie verwenden möchten, basierend auf den N_p und N_s/N_p.

Schritt 6: Primäre Induktivität

Berechnen Sie die erforderliche Primärinduktivität:

Die nachstehende Tabelle zeigt typische Effizienzwerte:

Schritt 7: Luftspalt

Die kleinste Größe und die niedrigsten Kosten eines Transformators werden durch die vollständige Ausnutzung des Kerns erreicht. In einer bestimmten Anwendung ist die optimale Kernausnutzung mit einer bestimmten optimalen Kernspaltlänge verbunden.

Die Kernlücke wird durch die Anzahl der Primärwindungen und die Induktivitätsspezifikation bestimmt. Der Konstrukteur prüft, ob der Spalt ausreicht, um eine Kernsättigung zu verhindern.

Hinweis: Push-Pull-, Vorwärts-, Halbbrücken- und Vollbrückentopologien erfordern in der Regel keinen Luftspalt, da es sich um eine echte Transformatorwirkung handelt.

Schritt 8: Drahtgröße

Sobald alle Windungen der Wicklung bestimmt sind, sollte die Drahtgröße richtig gewählt werden, um den Leitungsverlust und die Streuinduktivität der Wicklung zu minimieren. Der Wicklungsverlust hängt vom Effektivstromwert, der Länge und der Breite des Drahtes sowie von der Transformatorstruktur ab.

• Der Drahtdurchmesser kann durch den Effektivstrom der Wicklung bestimmt werden.
• Der Wickelverlust ist eine Funktion des Widerstandes im Draht.
• Der Widerstand setzt sich aus dem Gleichstromwiderstand und dem Wechselstromwiderstand zusammen. Bei niedrigen Frequenzen, R_DC >> R_AC, R_AC kann effektiv ignoriert werden.
• Bei hohen Frequenzen kann es erforderlich sein, Litzen oder Folien zu verwenden, um den Wechselstromwiderstand zu minimieren.
• Aufgrund des Skineffekts und des Proximity-Effekts des Leiters sollte der Durchmesser des Drahtes/der Litze kleiner sein als 2*Δ_d (Δ_d = Tiefe des Skineffekts)
• Angenommen, die Stromdichte ist typischerweise 3-6 A/mm².

Schritt 9: Füllfaktor

Der Füllfaktor ist das Verhältnis zwischen der Wickelfläche und der gesamten Fensterfläche des Kerns (sollte < 1 sein). Für erste Entwürfe wird empfohlen, einen Füllfaktor von nicht mehr als etwa 50% zu verwenden. Bei Transformatoren mit hoher Leistungsdichte und mehreren Ausgängen muss dieser Faktor möglicherweise weiter reduziert werden.

• Nachdem die Drahtgrößen bestimmt wurden, ist zu prüfen, ob die Fensterfläche mit dem gewählten Kern die berechneten Wicklungen aufnehmen kann. Die von jeder Wicklung benötigte Fensterfläche sollte jeweils berechnet und addiert werden, wobei auch die Fläche für die Isolierung zwischen den Wicklungen, den Spulenkörper und die Zwischenräume zwischen den Windungen berücksichtigt werden sollten.
• Auf der Grundlage dieser Überlegungen wird dann der gesamte erforderliche Fensterbereich mit dem verfügbaren Fensterbereich eines ausgewählten Kerns verglichen. Ist der erforderliche Fensterbereich größer als der gewählte, muss entweder der Drahtumfang verringert oder ein größerer Kern gewählt werden. Eine Verringerung des Drahtumfangs erhöht natürlich die Kupferverluste des Transformators.

Schritt 10: Kernverlust

In einem Transformator ist der Kernverlust eine Funktion der an der Primärwicklung anliegenden Spannung. In einem Induktor ist er eine Funktion des variierenden Stroms, der durch den Induktor fließt. In beiden Fällen muss der Betriebsflussdichtepegel bestimmt werden, um den Kernverlust abschätzen zu können. Wenn die Frequenz und der B-Pegel bekannt sind, kann der Kernverlust anhand der Kernverlustkurven geschätzt werden.

Schritt 11: Kupferverlust

In einem Transformator ist der Kupferverlust eine Funktion der AC- und DC-Widerstände.

Schritt 12: Temperaturanstieg

Der Temperaturanstieg ist wichtig für die Zuverlässigkeit des gesamten Stromkreises. Das Unterschreiten einer bestimmten Temperatur gewährleistet, dass die Isolierung der Drähte gültig ist, dass nahe gelegene aktive Komponenten ihre Nenntemperatur nicht überschreiten und dass die allgemeinen Temperaturanforderungen erfüllt werden. Ein thermisches Durchgehen kann dazu führen, dass sich der Kern bis zu seiner Curie-Temperatur erhitzt, was zu einem Verlust aller magnetischen Eigenschaften und einem katastrophalen Ausfall führt. Der Gesamtverlust wird in Watt und die Oberfläche in cm gemessen.².

Konstruktion von Transformatoren

Die Konstruktion des Transformators hat einen großen Einfluss auf die Streuinduktivität der Primärwicklung. Die Streuinduktivität führt zu einer Spannungsspitze beim Ausschalten des Halbleiterschalters, so dass eine Minimierung der Streuinduktivität zu einer geringeren Spannungsspitze und zu einer geringeren oder sogar keiner Notwendigkeit für die Dämpfungsschaltung auf der Primärseite führt.

Die folgenden Techniken werden zur Minimierung der Streuinduktivität eingesetzt:

• Transformatorwicklungen sollten immer konzentrisch sein, d.h. übereinander liegen, um die Kopplung zu maximieren; aus diesem Grund sollten keine geteilten und mehrteiligen Spulen verwendet werden.
• Verwendung einer geteilten Primärwicklung, bei der die erste Schicht der Wicklung die innerste Wicklung ist und die zweite Schicht außen gewickelt wird.
• Bei einem Transformator mit mehreren Ausgängen sollte die Sekundärseite mit der höchsten Ausgangsleistung am nächsten zur Primärseite platziert werden, um die beste Kopplung und die geringste Streuung zu erreichen.
• Sekundärwicklungen mit nur wenigen Windungen sollten über die Breite des Spulenfensters verteilt werden, anstatt sie zu bündeln, um die Kopplung mit der Primärwicklung zu maximieren. Die Verwendung mehrerer paralleler Drahtstränge ist eine zusätzliche Technik zur Erhöhung des Füllfaktors und der Kopplung einer Wicklung mit wenigen Windungen
• Um die Streuinduktivität zu minimieren und dennoch die Isolationsanforderungen zu erfüllen, sollten die Wicklungen mit dreifach isolierten Drähten und minimalen Bandschichten ausgeführt werden.

Um die internationalen Sicherheitsnormen zu erfüllen, wird eine gewickelte Konstruktion oder eine dreifach isolierte Drahtkonstruktion verwendet.

Abschirmung von Transformatoren: Die Verwendung eines Flussbandes (Kupferabschirmung) um den gesamten Transformator herum sorgt für eine umlaufende Strahlungsabschirmung für die Wirbelströme im Transformator. Diese Abschirmung ist einfach eine geerdete Schleife aus Kupferfolie um die gesamte Baugruppe. Die Anwendung dieser Technik erfordert eine sorgfältige Berücksichtigung der Isolationsanforderungen und der Kriech- und Luftstrecken.

Vakuum-Imprägnierung: Hochleistungsanwendungen wie Militär, Luft- und Raumfahrt, Medizintechnik und Hochspannung erfordern oft ein zusätzliches Maß an Schutz und Isolierung. Die Vakuumimprägnierung mit Epoxiden und/oder Lacken kann dieses hohe Leistungsniveau und die Langlebigkeit gewährleisten.

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