12 étapes pour la conception de transformateurs SMPS

La conception de composants magnétiques pour SMPS peut s'avérer difficile en raison des exigences croissantes des conceptions électroniques modernes. Les 12 étapes suivantes peuvent aider les ingénieurs à relever les défis et à assurer la réussite du projet.

Les paramètres suivants sont essentiels pour la conception des composants magnétiques des SMPS :

• Plage de tension d'entrée
• Tension de sortie
• Puissance de sortie ou courant de sortie
• Fréquence de commutation
• Mode de fonctionnement
• Coefficient d'utilisation maximal de l'IC
• Exigences en matière de sécurité
• Température ambiante
• Exigences en matière de taille

Étape 1 : Choix du noyau

Le choix préliminaire du noyau se fait en fonction des besoins en énergie de l'application, de la topologie de commutation et de la fréquence. Les noyaux en ferrite sont le meilleur choix pour les applications à haute fréquence. Pour un fonctionnement en dessous de 500 KHz, la plupart des concepteurs utiliseront un matériau de noyau avec une perméabilité de 2000 à 2500. La perméabilité varie considérablement en fonction de l'augmentation de la température et de la densité du flux de fonctionnement. En général, cela n'affecte pas le fonctionnement du convertisseur tant que le noyau n'est pas proche de la saturation, car l'inductance (qui contrôle le mode de fonctionnement) est principalement déterminée par l'entrefer. Cependant, l'augmentation de la température et la densité du flux de fonctionnement affecteront les pertes du noyau, ce qui doit être pris en compte pour garantir un fonctionnement fiable.

Forme du noyau

La forme du noyau et la configuration de la fenêtre sont importantes pour la conception des transformateurs à haute fréquence afin de minimiser les pertes. La fenêtre d'enroulement doit être aussi large que possible pour maximiser la largeur de l'enroulement et minimiser le nombre de couches. Cela permet de minimiser la résistance de l'enroulement en courant alternatif.

• Les noyaux EFD et EPC sont utilisés lorsqu'un profil bas est requis.
• EE et EF sont de bons choix et sont généralement utilisés avec des bobines verticales ou horizontales (les bobines verticales sont utiles lorsque l'espace au sol est limité).
• Les noyaux ETD et EER sont généralement plus grands, mais ont une large surface d'enroulement, ce qui les rend particulièrement adaptés aux conceptions à forte puissance et aux conceptions à sorties multiples.
• Les noyaux PQ sont plus chers mais occupent un peu moins d'espace sur la carte PC et nécessitent moins de tours que les noyaux E.
• Un transformateur à enroulement marginal nécessite un noyau plus grand qu'un transformateur à triple isolation afin de laisser de la place pour les marges.

Taille du noyau

De nombreuses variables interviennent dans l'estimation de la taille appropriée de la carotte.

• Une façon de sélectionner le bon noyau est de se référer au guide de sélection des noyaux du fabricant.
• Le produit de la zone centrale (W_aA_c), obtenue en multipliant la surface de la section transversale du noyau par la surface de la fenêtre disponible pour l'enroulement, est largement utilisée pour une première estimation de la taille du noyau pour une application donnée.
• La capacité de traitement de la puissance du noyau n'augmente pas linéairement avec la surface du produit ou le volume du noyau. Un transformateur plus grand doit fonctionner à une densité de puissance plus faible car la surface dissipant la chaleur n'augmente pas proportionnellement au volume produisant la chaleur.

Le tableau ci-dessous donne une vue d'ensemble des types de noyaux en fonction du débit de puissance :

Le W_aA_c / puissance de sortie est obtenue par

K_f = Facteur de forme ; pour onde carrée K_f = 4
K_u = Facteur d'utilisation de la fenêtre
J = Densité de courant
B_max = Densité de flux de fonctionnement
F = Fréquence de commutation
P_o = Puissance de sortie

Étape 2 : Valeur du produit volt-temps (V-µSec)

Déterminer la V-T en fonction du rapport cyclique maximal autorisé et de la fréquence.

Étape 3 : Tours primaires

Déterminer le nombre minimum de tours primaires nécessaires pour supporter le cas le plus défavorable. V-T valeur.

Note : B < 0,3T pour la ferrite

Étape 4 : Rapport de rotation

Calculer le rapport des spires secondaire/primaire

Topologie isolée	Rapport de rotation secondaire / primaire
Retour en vol
Transmettre
Pousser-Tirer
Demi-pont
Pont complet

Remarque : chute de la diode V_d = 0.5-1V

Étape 5 : Tours secondaires

Choisissez les nombres exacts de tours primaires et secondaires à utiliser en fonction du nombre d'heures de travail. N_p et N_s/N_p.

Étape 6 : Inductance primaire

Calculer l'inductance primaire requise :

Le tableau ci-dessous présente des chiffres d'efficacité typiques :

Étape 7 : Entrefer

La taille la plus petite et le coût le plus bas du transformateur sont obtenus en utilisant pleinement le noyau. Dans une application spécifique, l'utilisation optimale du noyau est associée à une longueur optimale spécifique de l'entrefer du noyau.

L'entrefer du noyau sera déterminé par le nombre de spires primaires et la spécification de l'inductance. Le concepteur vérifiera que l'entrefer est suffisant pour éviter la saturation du noyau.

Remarque : les topologies de convertisseurs push-pull, forward, demi-pont et pont complet ne nécessitent généralement pas d'entrefer, puisqu'il s'agit en fait d'une véritable action de transformateur.

Étape 8 : Taille du fil

Une fois que toutes les spires de l'enroulement sont déterminées, la taille du fil doit être correctement choisie pour minimiser la perte de conduction de l'enroulement et l'inductance de fuite. La perte de l'enroulement dépend de la valeur du courant efficace, de la longueur et de la largeur du fil, ainsi que de la structure du transformateur.

• La taille du fil peut être déterminée par le courant efficace de l'enroulement.
• La perte d'enroulement est fonction de la résistance du fil.
• La résistance est composée de la résistance au courant continu et de la résistance au courant alternatif. À basse fréquence, R_DC >> R_AC, R_AC peut effectivement être ignorée.
• Aux fréquences élevées, il peut être nécessaire d'utiliser du fil ou de la feuille toronnée/litz pour minimiser la résistance au courant alternatif.
• En raison de l'effet de peau et de l'effet de proximité du conducteur, le diamètre du fil/du toron doit être inférieur à 2*Δ_d (Δ_d = profondeur de l'effet de peau)
• Supposons que la densité de courant soit typiquement 3-6 A/mm².

Étape 9 : Facteur de remplissage

Le facteur de remplissage correspond à la surface de l'enroulement par rapport à la surface totale de la fenêtre du noyau (doit être < 1). Pour les conceptions initiales, il est recommandé d'utiliser un facteur de remplissage ne dépassant pas environ 50%. Pour les transformateurs à haute densité de puissance et à sorties multiples, ce facteur peut devoir être réduit davantage.

• Une fois les dimensions des fils déterminées, il est nécessaire de vérifier si la surface de la fenêtre du noyau sélectionné peut accueillir les enroulements calculés. La surface de fenêtre requise par chaque enroulement doit être calculée respectivement et additionnée, la surface pour l'isolation entre les enroulements, la bobine et les espaces existant entre les spires doivent également être pris en considération.
• Sur la base de ces considérations, la surface totale de fenêtre requise est ensuite comparée à la surface de fenêtre disponible d'un noyau sélectionné. Si la surface de fenêtre requise est plus grande que celle sélectionnée, il faut soit réduire la taille des fils, soit choisir un noyau plus grand. Bien entendu, la réduction de la taille du fil augmente la perte de cuivre du transformateur.

Étape 10 : Perte de noyau

Dans un transformateur, l'affaiblissement du noyau est fonction de la tension appliquée à l'enroulement primaire. Dans un inducteur, elle est fonction du courant variable appliqué à travers l'inducteur. Dans les deux cas, le niveau de densité de flux de fonctionnement doit être déterminé pour estimer la perte de noyau. Lorsque la fréquence et le niveau B sont connus, la perte de noyau peut être estimée à partir des courbes de perte de noyau des matériaux.

Étape 11 : Perte de cuivre

Dans un transformateur, les pertes en cuivre sont fonction des résistances en courant alternatif et en courant continu.

Étape 12 : Augmentation de la température

L'augmentation de la température est importante pour la fiabilité globale du circuit. Le fait de rester en dessous d'une température donnée garantit que l'isolation des fils est valable, que les composants actifs proches ne dépassent pas leur température nominale et que les exigences globales en matière de température sont respectées. Un emballement thermique peut se produire, provoquant l'échauffement du noyau jusqu'à sa température de Curie, ce qui entraîne la perte de toutes les propriétés magnétiques et une défaillance catastrophique. La perte totale est mesurée en watts et la surface est exprimée en cm.².

Construction de transformateurs

La construction du transformateur a un effet important sur l'inductance de fuite de l'enroulement primaire. L'inductance de fuite entraîne un pic de tension lors de la désactivation de l'interrupteur à semi-conducteur. La minimisation de l'inductance de fuite se traduira donc par un pic de tension plus faible et par un besoin moindre, voire nul, de circuit snubber sur le primaire.

Les techniques suivantes sont utilisées pour minimiser l'inductance de fuite :

• Les enroulements des transformateurs doivent toujours être concentriques, c'est-à-dire superposés, afin de maximiser le couplage. C'est pourquoi il ne faut pas utiliser de bobines divisées ou à plusieurs sections.
• Utilisation d'un enroulement primaire divisé, où la première couche de l'enroulement est l'enroulement le plus interne et la seconde couche est enroulée à l'extérieur.
• Dans un transformateur à sorties multiples, le secondaire ayant la puissance de sortie la plus élevée doit être placé le plus près du primaire pour obtenir le meilleur couplage et la plus faible fuite.
• Les enroulements secondaires ne comportant que quelques tours doivent être espacés sur la largeur de la fenêtre de la bobine au lieu d'être regroupés afin de maximiser le couplage avec le primaire. L'utilisation de plusieurs brins de fil parallèles est une technique supplémentaire pour augmenter le facteur de remplissage et le couplage d'un enroulement avec peu de spires
• Pour minimiser l'inductance de fuite tout en respectant les exigences d'isolation, les enroulements doivent être conçus avec des fils à triple isolation et un minimum de couches de ruban.

La construction à enroulement en marge ou à triple isolation est utilisée pour répondre aux normes de sécurité internationales.

Blindage du transformateur : L'utilisation d'une bande de flux (blindage en cuivre) autour de l'ensemble du transformateur fournira un écran de rayonnement circonférentiel pour les courants de Foucault dans le transformateur. Ce blindage est simplement une boucle de feuille de cuivre mise à la terre autour de l'ensemble de l'assemblage. L'utilisation de cette technique nécessite un examen attentif des exigences d'isolation et des problèmes de lignes de fuite et de dégagement.

Imprégnation sous vide : Les applications à hautes performances telles que les applications militaires, aérospatiales, médicales et à haute tension nécessitent souvent un niveau supplémentaire de protection et d'isolation. L'imprégnation sous vide avec des époxydes et/ou des vernis peut garantir ce niveau élevé de performance et d'endurance.

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