Quali sono le cause dell'aumento di temperatura nei trasformatori ad alta frequenza?

L'aumento di temperatura è uno degli indicatori termici più importanti quando si valuta un trasformatore ad alta frequenza per alimentatori a commutazione. Un trasformatore può soddisfare i requisiti di tensione, corrente e isolamento durante i test elettrici, ma un aumento eccessivo della temperatura può comunque ridurre l'efficienza, abbreviare la durata dell'isolamento e creare problemi di affidabilità nelle applicazioni di servizio-continuo.

Per gli ingegneri e i team di acquisto, la domanda chiave non è semplicemente"Quanto si surriscalda il trasformatore?"È da dove proviene il calore e quali parametri di progettazione ne sono responsabili.

In un pratico trasformatore di alimentazione a commutazione, l'aumento di temperatura è principalmente correlato alla perdita del nucleo, alla perdita dell'avvolgimento, alla frequenza operativa, alla densità di corrente, alla resistenza termica, alla struttura dell'avvolgimento e alle condizioni operative circostanti.

1. La perdita del nucleo è una delle principali fonti di calore

Il nucleo magnetico subisce continuamente cambiamenti di flusso magnetico durante il funzionamento ad alta-frequenza. Parte dell'energia elettrica viene quindi convertita in calore all'interno del nucleo.

La perdita del nucleo è generalmente associata a due meccanismi principali:

Perdita di isteresi

Perdita di correnti parassite

All'aumentare della frequenza di commutazione, la perdita del nucleo può diventare un fattore termico significativo. La relazione non è semplicemente proporzionale alla frequenza poiché anche il materiale del nucleo, la densità del flusso, la forma d'onda e la temperatura influiscono sulla perdita effettiva.

Per un trasformatore che funziona a una frequenza più elevata, la scelta del nucleo del trasformatore diventa particolarmente importante.

L'utilizzo di un materiale di base adatto al funzionamento a frequenze-basse non significa necessariamente che fornirà prestazioni accettabili a una frequenza di commutazione più elevata.

Cosa può aumentare la temperatura interna?

Diversi parametri possono aumentare la perdita del nucleo:

Densità di flusso eccessiva

Frequenza di commutazione più elevata

Materiale del nucleo non adatto

Temperatura operativa elevata

Numero errato di giri primari

Forma d'onda magnetica non-ideale

Questo è il motivo per cui la progettazione del trasformatore non può basarsi solo sui rapporti di potenza e tensione. Bisogna considerare anche il punto operativo magnetico.

2. La perdita di rame provoca un aumento della temperatura dell'avvolgimento

La seconda principale fonte di calore è la perdita degli avvolgimenti.

La perdita di base del rame CC può essere espressa come:

Pcu=I²R

Dove:

Perdita di rame della PCu =

I=corrente di avvolgimento

R=resistenza dell'avvolgimento

Questa relazione è particolarmente importante perché la perdita di rame aumenta rapidamente all’aumentare della corrente.

Ad esempio, se la corrente dell'avvolgimento aumenta del 20%, la perdita teorica I²R aumenta di circa il 44%, presupponendo che la resistenza rimanga invariata.

Pertanto, un avvolgimento che funziona comodamente a un livello di carico potrebbe subire un aumento di temperatura sostanzialmente maggiore quando il trasformatore funziona vicino alla sua potenza nominale massima.

3. La corrente ad alta-frequenza crea ulteriori perdite nell'avvolgimento

Per un trasformatore ad alta frequenza, il calcolo della sola resistenza CC non è sufficiente.

A frequenze di commutazione più elevate, la distribuzione della corrente all'interno del conduttore diventa non-uniforme a causa di:

Effetto pelle

Effetto di prossimità

Resistenza CA

L'effetto pelle fa sì che la corrente ad alta-frequenza si concentri verso la regione esterna di un conduttore anziché essere distribuita uniformemente su tutta la sua intera sezione-trasversale.

L'effetto di prossimità si verifica quando i campi magnetici provenienti da conduttori adiacenti alterano la distribuzione della corrente all'interno dell'avvolgimento.

Di conseguenza, la resistenza CA effettiva può essere superiore alla resistenza CC.

Ciò significa che il semplice aumento dell'area della sezione trasversale del rame-non sempre risolve un problema termico ad alta-frequenza. Anche la struttura dell'avvolgimento e la disposizione dei conduttori sono importanti.

4. La densità di corrente influisce direttamente sulle prestazioni termiche

La densità di corrente è un altro importante parametro di progettazione.

Se viene forzata troppa corrente attraverso un conduttore con un'area di sezione trasversale-efficace insufficiente, l'avvolgimento genera più calore.

Per un trasformatore personalizzato, il progettista deve bilanciare:

Corrente → dimensione del conduttore → spazio dell'avvolgimento → perdita di rame → aumento della temperatura

L’aumento delle dimensioni del conduttore può ridurre la resistenza e la perdita di rame, ma l’area della finestra disponibile del nucleo magnetico è limitata.

Ciò crea un pratico compromesso di progettazione-.

Un produttore di trasformatori deve quindi considerare non solo la corrente richiesta ma anche:

Corrente primaria

Corrente secondaria

Diametro del filo

Numero di fili paralleli

Strati di avvolgimento

Finestra di avvolgimento disponibile

Spessore dell'isolamento

Disposizione degli avvolgimenti

Ciò è particolarmente importante per i trasformatori di alimentazione a commutazione compatti, dove lo spazio di avvolgimento disponibile è limitato.

5. Le dimensioni del trasformatore influiscono sulla dissipazione del calore

La generazione di calore è solo metà del problema termico.

L'altra metà riguarda l'efficienza con cui il trasformatore può rilasciare quel calore.

Un trasformatore con le stesse perdite elettriche può avere prestazioni di aumento della temperatura- molto diverse a seconda della sua struttura fisica.

I fattori importanti includono:

Superficie del nucleo

Dimensioni della bobina

Superficie di avvolgimento

Materiale di incapsulamento

Metodo di montaggio

Disposizione del circuito stampato

Flusso d'aria

Temperatura ambiente

Un trasformatore compatto può avere prestazioni elettriche eccellenti ma una minore superficie disponibile per la dissipazione del calore.

Questo è uno dei motivi per cui la miniaturizzazione non dovrebbe essere trattata come una semplice riduzione delle dimensioni fisiche di un trasformatore esistente.

6. Anche i materiali isolanti e di incapsulamento influiscono sulle prestazioni termiche

I materiali che circondano l'avvolgimento influenzano il percorso attraverso il quale il calore si allontana dal rame.

In alcune costruzioni di trasformatori, materiali isolanti, nastri, bobine o composti di impregnazione creano ulteriore resistenza termica.

Per un trasformatore elettronico progettato per il funzionamento continuo, il produttore deve considerare sia l'isolamento elettrico che il trasferimento termico.

Spesso esiste un compromesso-tra:

Isolamento dielettrico

Creep e clearance

Protezione meccanica

Conduttività termica

Spazio di avvolgimento disponibile

Un progetto che fornisce un eccellente isolamento elettrico ma limita il trasferimento di calore può richiedere ulteriori considerazioni termiche.

7. La frequenza operativa è un parametro di progettazione termica

La frequenza influisce sia sulla perdita del nucleo che su quella dell'avvolgimento, quindi dovrebbe essere presa in considerazione quando si valuta l'aumento della temperatura del trasformatore.

L'aumento della frequenza di commutazione può consentire un nucleo magnetico più piccolo e meno spire in alcuni progetti. Tuttavia, ciò non significa che una frequenza più elevata produca automaticamente un trasformatore più freddo.

A frequenze più elevate, i progettisti possono trovarsi ad affrontare:

Aumento della perdita del nucleo

Aumento della perdita di rame CA

Maggiore effetto pelle

Effetto di prossimità più forte

Capacità parassita più elevata

Controllo EMI più difficile

Pertanto, la frequenza di commutazione ottimale è una decisione di progettazione-a livello di sistema piuttosto che una semplice scelta "più alta è meglio".

8. Le condizioni di carico hanno un impatto notevole sull'aumento della temperatura

Non ci si dovrebbe aspettare che un trasformatore che funziona al 30% del carico e uno che funziona continuamente al 100% del carico abbiano lo stesso comportamento termico.

Per le applicazioni di alimentazione, i test della temperatura dovrebbero considerare le condizioni operative effettive, tra cui:

Per le applicazioni OEM è quindi utile specificare se il trasformatore funzionerà in modo continuo al carico nominale o in servizio intermittente.

9. La temperatura ambiente modifica il margine termico disponibile

L’aumento della temperatura non dovrebbe essere considerato indipendentemente dalla temperatura ambiente.

Ad esempio, se un trasformatore presenta un aumento di temperatura di 50 gradi e funziona in un ambiente a 25 gradi, la temperatura approssimativa dell'avvolgimento o della superficie potrebbe avvicinarsi a:

25 gradi + 50 gradi=75 gradi

Se lo stesso trasformatore opera in una temperatura ambiente di 50 gradi, la temperatura corrispondente potrebbe avvicinarsi a:

50 gradi + 50 gradi=100 gradi

L'aumento della temperatura in sé può essere simile, ma la temperatura operativa assoluta è molto diversa.

Ciò è particolarmente importante per le apparecchiature installate all'interno:

Armadi di controllo industriali

Apparecchiature per la ricarica di veicoli elettrici

inverter fotovoltaici

Sistemi di accumulo dell'energia

Elettronica automobilistica

Alimentatori medicali

Elettronica di consumo chiusa

Per queste applicazioni, il trasformatore deve essere valutato in base alle effettive condizioni ambientali e di custodia piuttosto che alla sola temperatura ambiente del laboratorio.

10. La disposizione degli avvolgimenti può fare una differenza significativa

La struttura dell'avvolgimento influisce sia sulle prestazioni elettriche che sul comportamento termico.

Ad esempio, possono cambiare diverse disposizioni di avvolgimento:

Induttanza di dispersione

Capacità di avvolgimento

Resistenza CA

Trasferimento di calore

Distanza di isolamento

Area di rame disponibile

Un avvolgimento mal disposto può creare punti caldi locali anche quando la temperatura media del trasformatore appare accettabile.

Per un trasformatore ad alta frequenza personalizzato, è quindi necessario considerare la struttura dell'avvolgimento insieme ai requisiti elettrici.

A seconda dell'applicazione, il produttore può valutare:

Avvolgimento a strati

Avvolgimento sezionale

Conduttori paralleli

Filo litz

Disposizione primaria/secondaria

Avvolgimento intercalato

Sistema di isolamento

La soluzione appropriata dipende dalla frequenza operativa, dalla corrente, dalla tensione, dai requisiti di isolamento e dai vincoli fisici.

11. Come i produttori controllano l'aumento della temperatura

Un produttore affidabile di trasformatori ad alta frequenza non risolve l’aumento di temperatura con un singolo parametro.

Le prestazioni termiche vengono normalmente affrontate attraverso diverse decisioni di progettazione.

Selezione del nucleo

Scegliere un materiale magnetico e una dimensione del nucleo adeguati alla frequenza operativa, alla potenza e alla densità del flusso.

Turni primari

Il numero di spire primarie deve mantenere una densità di flusso magnetico adeguata alle effettive condizioni di tensione di ingresso-e di commutazione.

Progettazione dell'avvolgimento

Seleziona le dimensioni del conduttore e la configurazione dell'avvolgimento in base alla corrente RMS e agli effetti dell'alta-frequenza anziché solo alla resistenza CC.

Ottimizzazione delle perdite

Ridurre le perdite inutili del nucleo e del rame attraverso un'adeguata selezione dei materiali e la costruzione dell'avvolgimento.

Percorso Termale

Considera come il calore si sposta dal nucleo e dall'avvolgimento alla bobina, al PCB, all'involucro e all'aria circostante.

Margine operativo

La progettazione esattamente al limite teorico lascia poco spazio alle variazioni di tensione di ingresso, carico, temperatura ambiente, tolleranze di produzione e condizioni di applicazione effettive.

12. L’aumento della temperatura dovrebbe essere testato in condizioni realistiche

Per le applicazioni OEM e industriali, i calcoli teorici dovrebbero essere supportati da test effettivi.

Una valutazione tipica può includere:

Funzionamento del trasformatore alla tensione di ingresso specificata.

Applicazione della frequenza di commutazione richiesta.

Caricando il secondario alla potenza di uscita specificata.

Permettere al trasformatore di raggiungere l'equilibrio termico.

Misurazione della temperatura dell'avvolgimento, del nucleo o della superficie.

Confrontando la temperatura misurata con il limite termico specificato.

La configurazione del test è importante.

Ad esempio, un trasformatore montato su un'attrezzatura da laboratorio aperta può dissipare il calore in modo diverso dallo stesso trasformatore installato all'interno di un gruppo PCB compatto.

Questo è il motivo per cui i clienti dovrebbero fornire al produttore, ove possibile, le effettive condizioni di applicazione.

13. Quali informazioni dovrebbero fornire gli acquirenti per la progettazione termica?

Quando si richiede a un produttore di trasformatori personalizzati di sviluppare un trasformatore ad alta frequenza, gli acquirenti devono fornire qualcosa di più della sola tensione di ingresso e di uscita.

Le seguenti informazioni possono migliorare significativamente la progettazione termica:

Queste informazioni consentono al produttore di valutare il trasformatore come parte del sistema completo di conversione-di potenza anziché trattarlo come un componente magnetico isolato.

14. L’aumento della temperatura è un equilibrio di progettazione, non solo il risultato di un test

Un risultato di aumento della temperatura-basso è prezioso, ma non dovrebbe essere valutato in modo indipendente.

Per un trasformatore ad alta frequenza, le prestazioni termiche sono strettamente legate a:

Perdita del nucleo + perdita del rame + frequenza di commutazione + densità di corrente + struttura dell'avvolgimento + dissipazione del calore + ambiente operativo

La modifica di un parametro può influenzarne molti altri.

Ad esempio, l'aumento della frequenza di commutazione può consentire un nucleo più piccolo, ma il conseguente aumento delle perdite del nucleo e dell'avvolgimento CA può creare un nuovo problema termico.

Allo stesso modo, l'utilizzo di un filo più spesso può ridurre la resistenza CC ma può aumentare i requisiti di spazio nell'avvolgimento o influenzare le caratteristiche parassite.

L'obiettivo quindi non è semplicemente quello di far "funzionare a freddo" un trasformatore. L'obiettivo è ottenere un design magnetico, elettrico, termico e di isolamento bilanciato per l'applicazione reale.

Conclusione

L'aumento di temperatura in un trasformatore ad alta frequenza deriva principalmente dalle perdite del nucleo magnetico e delle perdite dell'avvolgimento, ma le prestazioni termiche finali dipendono da molto più di questi due fattori.

Il materiale del nucleo, la densità del flusso, la frequenza di commutazione, la selezione del conduttore, la struttura dell'avvolgimento, la densità di corrente, le dimensioni del trasformatore, il sistema di isolamento, la temperatura ambiente, il flusso d'aria e il profilo di carico contribuiscono tutti alla temperatura operativa finale.

Per le applicazioni di alimentazione a commutazione, l'approccio migliore è valutare l'aumento di temperatura durante la fase di progettazione del trasformatore piuttosto che cercare di risolvere i problemi termici dopo il completamento del prototipo.

Quando si collabora con un produttore di trasformatori ad alta frequenza personalizzato, la fornitura di condizioni elettriche e operative complete consente di ottimizzare la progettazione del trasformatore non solo per tensione e potenza, ma anche per l'affidabilità termica a lungo termine.