12 passi per la progettazione di trasformatori SMPS

La progettazione di componenti magnetici per SMPS può essere impegnativa a causa delle crescenti esigenze dei moderni progetti elettronici. Seguire questi 12 passi può aiutare gli ingegneri a superare le sfide e a garantire il successo del progetto.

I seguenti parametri sono essenziali per la progettazione dei componenti magnetici degli SMPS:

• Campo di tensione d'ingresso
• Tensione di uscita
• Potenza o corrente di uscita
• Frequenza di commutazione
• Modalità operativa
• Ciclo di lavoro massimo del CI
• Requisiti di sicurezza
• Temperatura ambiente
• Requisiti di dimensione

Fase 1: Scelta del nucleo

La scelta del nucleo preliminare si basa sui requisiti di potenza dell'applicazione, sulla topologia di commutazione e sulla frequenza. I nuclei in ferrite sono la scelta migliore per le applicazioni ad alta frequenza. Per il funzionamento al di sotto dei 500 KHz, la maggior parte dei progettisti utilizzerà un nucleo con una permeabilità compresa tra 2000 e 2500. La permeabilità varia in modo significativo con l'aumento della temperatura e la densità di flusso operativo. In generale, ciò non influisce sul funzionamento del convertitore finché il nucleo non è prossimo alla saturazione, poiché l'induttanza (che controlla la modalità di funzionamento) è determinata principalmente dal traferro. Tuttavia, l'aumento della temperatura e la densità del flusso operativo influiscono sulle perdite del nucleo, che devono essere prese in considerazione per garantire un funzionamento affidabile.

Forma del nucleo

La forma del nucleo e la configurazione della finestra sono importanti per la progettazione dei trasformatori ad alta frequenza per ridurre al minimo le perdite. L'area della finestra di avvolgimento deve essere la più ampia possibile per massimizzare l'ampiezza dell'avvolgimento e ridurre al minimo il numero di strati. In questo modo si riduce al minimo la resistenza dell'avvolgimento in corrente alternata.

• I core EFD ed EPC sono utilizzati quando è richiesto un profilo basso.
• EE ed EF sono ottime scelte e vengono generalmente utilizzate con bobine verticali o orizzontali (le bobine verticali sono ottime quando lo spazio di ingombro è limitato).
• I nuclei ETD ed EER sono generalmente più grandi, ma hanno un'ampia area di avvolgimento, il che li rende particolarmente adatti a progetti di potenza superiore e a progetti con uscite multiple.
• I core PQ sono più costosi, ma occupano uno spazio leggermente inferiore sulla scheda PC e richiedono un numero inferiore di giri rispetto ai core E.
• Per un trasformatore di tipo a margini avvolti sarà necessario un nucleo di dimensioni maggiori rispetto a quello di un trasformatore a triplo isolamento, per lasciare spazio ai margini.

Dimensione del nucleo

La stima della dimensione appropriata del nucleo è soggetta a numerose variabili.

• Un modo per selezionare l'anima giusta è quello di consultare la guida alla scelta dell'anima del produttore.
• Il prodotto dell'area centrale (W_aA_c), ottenuto moltiplicando l'area della sezione trasversale del nucleo per l'area della finestra disponibile per l'avvolgimento, è ampiamente utilizzato per una stima iniziale delle dimensioni del nucleo per una determinata applicazione.
• La capacità di gestione della potenza del nucleo non scala linearmente con l'area del prodotto o il volume del nucleo. Un trasformatore più grande deve funzionare a una densità di potenza inferiore perché la superficie che dissipa il calore non aumenta in proporzione al volume che lo produce.

La tabella seguente fornisce una panoramica dei tipi di core in funzione del throughput di potenza:

Il W_aA_c / La relazione tra potenza e potenza si ottiene con la seguente formula:

K_f = fattore di forma; per l'onda quadra K_f = 4
K_u = Fattore di utilizzo della finestra
J = densità di corrente
B_massimo = Densità di flusso operativo
F = Frequenza di commutazione
P_o = Potenza di uscita

Fase 2: Prodotto Volt-Tempo (V-µSec) Valore

Determinare il V-T in base al ciclo di funzionamento massimo consentito e alla frequenza

Fase 3: Giri primari

Determinare il numero minimo di spire primarie necessarie per supportare il caso peggiore. V-T valore.

Nota: B < 0,3T per la ferrite

Fase 4: Rapporto di rotazione

Calcolare il rapporto spire secondarie/primarie

Topologia isolata	Rapporto di rotazione secondario / primario
Flyback
Inoltrare
Spingi-Spingi
Mezzo ponte
Ponte intero

Nota: caduta del diodo V_d = 0.5-1V

Fase 5: Giri secondari

Scegliere l'esatto conteggio dei turni primari e secondari da utilizzare in base alla N_p e N_s/N_p.

Passo 6: Induttanza primaria

Calcolare l'induttanza primaria necessaria:

La tabella seguente mostra i valori tipici di efficienza:

Fase 7: Traferro

Il trasformatore più piccolo e più economico si ottiene sfruttando appieno il nucleo. In un'applicazione specifica, l'utilizzo ottimale del nucleo è associato a una specifica lunghezza ottimale della distanza tra i nuclei.

La distanza tra i nuclei è determinata dal numero di spire primarie e dalle specifiche dell'induttanza. Il progettista verificherà che la distanza sia sufficiente a prevenire la saturazione del nucleo.

Nota: le topologie di convertitori push-pull, forward, half-bridge e full bridge in genere non richiedono un traferro, poiché si tratta di una vera e propria azione del trasformatore.

Passo 8: Dimensioni del filo

Una volta determinate tutte le spire dell'avvolgimento, la dimensione del filo deve essere scelta correttamente per ridurre al minimo la perdita di conduzione e l'induttanza di dispersione dell'avvolgimento. La perdita dell'avvolgimento dipende dal valore della corrente RMS, dalla lunghezza e dalla larghezza del filo e dalla struttura del trasformatore.

• La dimensione del filo può essere determinata dalla corrente RMS dell'avvolgimento.
• La perdita di avvolgimento è funzione della quantità di resistenza del filo.
• La resistenza è composta da resistenza CC e resistenza CA. A basse frequenze, R_DC >> R_AC, R_AC possono essere effettivamente ignorati.
• A frequenze elevate, può essere necessario utilizzare fili a trefoli/Litz o lamine per ridurre al minimo la resistenza CA.
• A causa dell'effetto pelle e dell'effetto di prossimità del conduttore, il diametro del filo/trefolo deve essere inferiore a 2*Δ_d (Δ_d = profondità dell'effetto pelle)
• Si supponga che la densità di corrente sia tipicamente 3-6 A/mm².

Fase 9: Fattore di riempimento

Il fattore di riempimento indica l'area dell'avvolgimento rispetto all'intera area della finestra del nucleo (dovrebbe essere < 1). Per i progetti iniziali, si raccomanda di utilizzare un fattore di riempimento non superiore a circa 50%. Per i trasformatori ad alta densità di potenza e con uscite multiple, potrebbe essere necessario ridurre ulteriormente questo fattore.

• Dopo aver determinato le dimensioni dei fili, è necessario verificare se l'area della finestra con il nucleo selezionato può ospitare gli avvolgimenti calcolati. L'area della finestra richiesta da ciascun avvolgimento deve essere calcolata rispettivamente e sommata, tenendo conto anche dell'area per l'isolamento tra gli avvolgimenti, della bobina e degli spazi esistenti tra le spire.
• Sulla base di queste considerazioni, l'area della finestra totale richiesta viene confrontata con l'area della finestra disponibile di un nucleo selezionato. Se l'area della finestra richiesta è maggiore di quella selezionata, è necessario ridurre le dimensioni del filo o scegliere un nucleo più grande. Naturalmente, la riduzione delle dimensioni del filo aumenta la perdita di rame del trasformatore.

Passo 10: Perdita del nucleo

In un trasformatore, la perdita del nucleo è funzione della tensione applicata all'avvolgimento primario. In un induttore, è funzione della corrente variabile applicata attraverso l'induttore. In entrambi i casi, per stimare la perdita di nucleo è necessario determinare il livello di densità di flusso operativo. Una volta noti la frequenza e il livello B, la perdita del nucleo può essere stimata dalle curve di perdita del nucleo del materiale.

Fase 11: Perdita di rame

In un trasformatore, la perdita di rame è funzione delle resistenze CA e CC.

Fase 12: Aumento della temperatura

L'aumento della temperatura è importante per l'affidabilità complessiva del circuito. Rimanere al di sotto di una determinata temperatura assicura che l'isolamento dei fili sia valido, che i componenti attivi vicini non superino la loro temperatura nominale e che i requisiti di temperatura generale siano soddisfatti. La fuga termica può provocare il riscaldamento del nucleo fino alla sua temperatura di Curie, con conseguente perdita di tutte le proprietà magnetiche e guasto catastrofico. La perdita totale è misurata in watt e l'area della superficie è in cm².

Costruzione del trasformatore

La costruzione del trasformatore influisce notevolmente sull'induttanza di dispersione dell'avvolgimento primario. L'induttanza di dispersione provoca un picco di tensione al momento dello spegnimento dell'interruttore a semiconduttore, per cui riducendo al minimo l'induttanza di dispersione si otterrà un picco di tensione più basso e si ridurrà o addirittura non si richiederà il circuito di snubber sul primario.

Per ridurre al minimo l'induttanza di dispersione si utilizzano le seguenti tecniche:

• Gli avvolgimenti del trasformatore devono sempre essere concentrici, cioè uno sopra l'altro, per massimizzare l'accoppiamento; per questo motivo, non si devono utilizzare bobine divise o a più sezioni.
• Utilizzo di un avvolgimento primario diviso, in cui il primo strato dell'avvolgimento è quello più interno e il secondo strato è avvolto all'esterno.
• In un trasformatore a uscite multiple, il secondario con la potenza di uscita più elevata dovrebbe essere collocato più vicino al primario per ottenere il miglior accoppiamento e le minori perdite.
• Per massimizzare l'accoppiamento con il primario, gli avvolgimenti secondari con poche spire dovrebbero essere distanziati tra loro per tutta la larghezza della finestra della bobina, anziché essere raggruppati. L'utilizzo di più fili paralleli è un'ulteriore tecnica per aumentare il fattore di riempimento e l'accoppiamento di un avvolgimento con poche spire.
• Per ridurre al minimo l'induttanza di dispersione e soddisfare comunque i requisiti di isolamento, progettare gli avvolgimenti utilizzando fili a triplo isolamento e strati di nastro minimi.

Per soddisfare gli standard di sicurezza internazionali, viene utilizzata una struttura a filo avvolto a margine o a triplo isolamento.

Schermatura del trasformatore: L'utilizzo di una banda di flusso (schermo di rame) attorno all'intero trasformatore fornirà uno schermo di radiazione circonferenziale per le correnti parassite nel trasformatore. Questo schermo è semplicemente un anello di rame collegato a terra attorno all'intero gruppo. L'uso di questa tecnica richiede un'attenta considerazione dei requisiti di isolamento e dei problemi di creepage e di spazio libero.

Impregnazione sotto vuoto: Le applicazioni ad alte prestazioni, come quelle militari, aerospaziali, mediche e ad alta tensione, richiedono spesso un ulteriore livello di protezione e isolamento. L'impregnazione sotto vuoto con epossidici e/o vernici può garantire questo elevato livello di prestazioni e resistenza.

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