Kas sukelia aukšto dažnio transformatorių temperatūros kilimą?

Temperatūros kilimas yra vienas iš svarbiausių šiluminių rodiklių vertinant aukšto dažnio transformatorių, skirtą perjungti maitinimo šaltinius. Atliekant elektros bandymą transformatorius gali atitikti įtampos, srovės ir izoliacijos reikalavimus, tačiau per didelis temperatūros padidėjimas vis tiek gali sumažinti efektyvumą, sutrumpinti izoliacijos tarnavimo laiką ir sukelti patikimumo problemų nuolat{1}}veikiant.

Inžinieriams ir pirkimo komandoms pagrindinis klausimas nėra paprastas"Kaip įkaista transformatorius?"Tai yra iš kur ateina šiluma ir už tai atsakingi projektiniai parametrai.

Praktiniame perjungimo maitinimo transformatoriuje temperatūros kilimas daugiausia susijęs su šerdies nuostoliais, apvijų nuostoliais, veikimo dažniu, srovės tankiu, šilumine varža, apvijos konstrukcija ir aplinkinėmis darbo sąlygomis.

1. Šerdies praradimas yra vienas iš pagrindinių šilumos šaltinių

Magnetinė šerdis nuolat patiria kintantį magnetinį srautą aukšto{0}}dažnio veikimo metu. Todėl dalis elektros energijos šerdies viduje paverčiama šiluma.

Pagrindinis praradimas paprastai yra susijęs su dviem pagrindiniais mechanizmais:

Histerezės praradimas

Sūkurinės srovės praradimas

Didėjant perjungimo dažniui, šerdies nuostoliai gali tapti reikšmingu šiluminiu veiksniu. Ryšys nėra tik proporcingas dažniui, nes šerdies medžiaga, srauto tankis, bangos forma ir temperatūra taip pat turi įtakos faktiniams nuostoliams.

Transformatoriui, veikiančiam didesniu dažniu, transformatoriaus šerdies pasirinkimas tampa ypač svarbus.

Jei naudojate pagrindinę medžiagą, tinkančią žemesnio{0}}dažnio veikimui, tai nebūtinai užtikrins priimtiną našumą esant didesniam perjungimo dažniui.

Kas gali padidinti pagrindinę temperatūrą?

Keletas parametrų gali padidinti šerdies nuostolius:

Per didelis srauto tankis

Didesnis perjungimo dažnis

Netinkama pagrindo medžiaga

Aukšta darbinė temperatūra

Neteisingas pirminių posūkių skaičius

Ne{0}}ideali magnetinė banga

Štai kodėl transformatoriaus projektavimas negali būti pagrįstas tik galios ir įtampos santykiais. Taip pat reikia atsižvelgti į magnetinį veikimo tašką.

2. Vario praradimas sukelia apvijos temperatūros kilimą

Antrasis pagrindinis šilumos šaltinis yra apvijų nuostoliai.

Pagrindiniai nuolatinės srovės vario nuostoliai gali būti išreikšti taip:

Pcu=I²R

kur:

Pcu=vario praradimas

I=apvijos srovė

R=apvijos varža

Šis ryšys yra ypač svarbus, nes vario nuostoliai sparčiai didėja didėjant srovei.

Pavyzdžiui, jei apvijos srovė padidėja 20%, teoriniai I²R nuostoliai padidėja maždaug 44%, darant prielaidą, kad varža nesikeičia.

Todėl apvija, kuri patogiai veikia esant vienam apkrovos lygiui, gali patirti žymiai didesnį temperatūros padidėjimą, kai transformatorius veikia beveik maksimaliai vardinei galiai.

3. Aukšta{1}}dažnio srovė sukuria papildomų apvijų nuostolių

Aukšto dažnio transformatoriui nepakanka apskaičiuoti tik nuolatinės srovės varžą.

Esant didesniems perjungimo dažniams, srovės pasiskirstymas laidininko viduje tampa netolygus{0}}dėl:

Odos poveikis

Artumo efektas

AC varža

Dėl odos efekto aukšto-dažnio srovė susikoncentruoja link išorinės laidininko srities, o ne tolygiai paskirstoma visame jo skerspjūvyje.

Artumo efektas atsiranda, kai magnetiniai laukai iš gretimų laidininkų keičia srovės pasiskirstymą apvijoje.

Dėl to efektyvioji kintamosios srovės varža gali būti didesnė už nuolatinės srovės varžą.

Tai reiškia, kad vien padidinus vario skerspjūvio plotą{0}}ne visada išsprendžiama aukšto -dažnio šiluminė problema. Taip pat svarbu apvijų konstrukcija ir laidų išdėstymas.

4. Srovės tankis tiesiogiai veikia šiluminį našumą

Srovės tankis yra dar vienas svarbus projektinis parametras.

Jei per laidininką, kurio efektyvusis skerspjūvio plotas{0}}nepakankamas, per didelė srovė išleidžiama, apvija generuoja daugiau šilumos.

Pasirinktiniam transformatoriui dizaineris turi subalansuoti:

Srovė → laidininko dydis → apvijos erdvė → vario nuostoliai → temperatūros kilimas

Didėjant laidininko dydžiui, gali sumažėti varža ir vario nuostoliai, tačiau galimas magnetinės šerdies lango plotas yra ribotas.

Tai sukuria praktinį dizaino{0}}profigūrą.

Todėl transformatorių gamintojas turi atsižvelgti ne tik į reikiamą srovę, bet ir:

Pirminė srovė

Antrinė srovė

Vielos skersmuo

Lygiagrečių laidų skaičius

Apvijų sluoksniai

Galimas suvyniojamas langas

Izoliacijos storis

Apvijų išdėstymas

Tai ypač svarbu kompaktiškiems perjungimo maitinimo transformatoriams, kur apvijų erdvė yra ribota.

5. Transformatoriaus dydis turi įtakos šilumos išsklaidymui

Šilumos generavimas yra tik pusė šiluminės problemos.

Kita pusė – kaip efektyviai transformatorius gali išleisti tą šilumą.

Transformatorius su vienodais elektros nuostoliais gali turėti labai skirtingą{0}}temperatūrų kilimo našumą, priklausomai nuo jo fizinės konstrukcijos.

Svarbūs veiksniai apima:

Šerdies paviršiaus plotas

Ritės matmenys

Apvijos paviršiaus plotas

Kapsuliavimo medžiaga

Montavimo būdas

PCB išdėstymas

Oro srautas

Aplinkos temperatūra

Kompaktiškas transformatorius gali turėti puikų elektrinį našumą, bet mažiau šilumos išsklaidymui skirto paviršiaus.

Tai yra viena iš priežasčių, kodėl miniatiūrizavimas neturėtų būti traktuojamas kaip paprasčiausias esamo transformatoriaus fizinių matmenų sumažinimas.

6. Izoliacinės ir kapsuliavimo medžiagos taip pat turi įtakos šiluminėms savybėms

Apviją supančios medžiagos įtakoja kelią, kuriuo šiluma nukeliauja nuo vario.

Kai kuriose transformatorių konstrukcijose izoliacinės medžiagos, juostos, ritės ar mišiniai sukuria papildomą šiluminę varžą.

Nepertraukiamam darbui skirto elektroninio transformatoriaus atveju gamintojas turi atsižvelgti ir į elektros izoliaciją, ir į šilumos perdavimą.

Dažnai vyksta kompromisas{0}}tarp:

Dielektrinė izoliacija

Šliaužimas ir klirensas

Mechaninė apsauga

Šilumos laidumas

Laisva vyniojimo vieta

Dėl konstrukcijos, kuri užtikrina puikią elektros izoliaciją, bet riboja šilumos perdavimą, gali prireikti papildomo terminio svarstymo.

7. Veikimo dažnis yra šiluminės konstrukcijos parametras

Dažnis turi įtakos tiek šerdies, tiek apvijų nuostoliams, todėl į jį reikia atsižvelgti vertinant transformatoriaus temperatūros kilimą.

Padidėjus perjungimo dažniui, kai kuriose konstrukcijose gali būti mažesnė magnetinė šerdis ir mažiau apsisukimų. Tačiau tai nereiškia, kad aukštesnis dažnis automatiškai sukuria aušintuvą transformatorių.

Aukštesniuose dažniuose dizaineriai gali susidurti su:

Padidėjęs branduolio praradimas

Padidėjęs kintamosios srovės vario nuostolis

Didesnis odos poveikis

Stipresnis artumo efektas

Didesnė parazitinė talpa

Sunkesnis EMI valdymas

Todėl optimalus perjungimo dažnis yra sistemos-lygio dizaino sprendimas, o ne paprastas pasirinkimas „tuo geriau“.

8. Apkrovos sąlygos turi didelį poveikį temperatūros kilimui

Nereikėtų tikėtis, kad transformatorius, veikiantis 30 % apkrova, ir vienas nuolat veikiantis 100 % apkrova, neturėtų turėti vienodos šiluminės savybės.

Maitinimo šaltinių atveju atliekant temperatūros bandymus turėtų būti atsižvelgiama į faktines veikimo sąlygas, įskaitant:

Todėl OĮG reikmėms naudinga nurodyti, ar transformatorius nuolat veiks esant vardinei apkrovai, ar nepertraukiamai.

9. Aplinkos temperatūra pakeičia turimą šiluminę ribą

Temperatūros kilimas neturėtų būti vertinamas atskirai nuo aplinkos temperatūros.

Pavyzdžiui, jei transformatoriaus temperatūra pakyla 50 laipsnių ir veikia 25 laipsnių aplinkos aplinkoje, apytikslė jo apvijos arba paviršiaus temperatūra gali priartėti prie:

25 laipsniai + 50 laipsnis=75 laipsnis

Jei tas pats transformatorius veikia 50 laipsnių aplinkos aplinkoje, atitinkama temperatūra gali artėti prie:

50 laipsnių + 50 laipsnis=100 laipsnis

Pats temperatūros kilimas gali būti panašus, tačiau absoliuti darbo temperatūra labai skiriasi.

Tai ypač svarbu viduje sumontuotai įrangai:

Pramoninės valdymo spintos

EV įkrovimo įranga

PV keitikliai

Energijos kaupimo sistemos

Automobilių elektronika

Medicininiai maitinimo šaltiniai

Uždara buitinė elektronika

Šioms reikmėms transformatorius turėtų būti vertinamas pagal faktines aplinkos ir gaubto sąlygas, o ne tik laboratorijos kambario temperatūrą.

10. Apvijų išdėstymas gali turėti reikšmingų skirtumų

Apvijos struktūra turi įtakos tiek elektros našumui, tiek šiluminiam elgesiui.

Pavyzdžiui, gali keistis skirtingos apvijų išdėstymas:

Nuotėkio induktyvumas

Apvijų talpa

AC varža

Šilumos perdavimas

Izoliacijos atstumas

Galimas vario plotas

Blogai sutvarkyta apvija gali sukurti vietines karštąsias vietas net tada, kai vidutinė transformatoriaus temperatūra atrodo priimtina.

Todėl, norint pritaikyti aukšto dažnio transformatorių, reikia atsižvelgti į apvijų konstrukciją kartu su elektros reikalavimais.

Priklausomai nuo taikymo, gamintojas gali įvertinti:

Sluoksnio apvija

Sekcinė apvija

Lygiagretūs laidininkai

Litz viela

Pirminis/antrinis susitarimas

Interleaving apvija

Izoliacijos sistema

Tinkamas sprendimas priklauso nuo veikimo dažnio, srovės, įtampos, izoliacijos reikalavimų ir fizinių apribojimų.

11. Kaip gamintojai kontroliuoja temperatūros kilimą

Patikimas aukšto dažnio transformatorių gamintojas nesprendžia temperatūros kilimo vienu parametru.

Šiluminis efektyvumas paprastai sprendžiamas priimant kelis projektavimo sprendimus.

Pagrindinis pasirinkimas

Pasirinkite magnetinę medžiagą ir šerdies dydį, atitinkantį veikimo dažnį, galią ir srauto tankį.

Pirminiai posūkiai

Pirminių apsisukimų skaičius turi išlaikyti atitinkamą magnetinio srauto tankį esant faktinei įvesties{0}}įtampai ir perjungimo sąlygoms.

Apvijos dizainas

Pasirinkite laidininko dydį ir apvijų konfigūraciją pagal RMS srovę ir aukšto{0}}dažnio efektus, o ne tik nuolatinės srovės varžą.

Nuostolių optimizavimas

Sumažinkite nereikalingus šerdies ir vario nuostolius tinkamai parinkdami medžiagas ir sukonstruodami apvijas.

Šiluminis kelias

Apsvarstykite, kaip šiluma juda iš šerdies ir apvijos į ritę, PCB, gaubtą ir aplinkinį orą.

Veiklos marža

Projektuojant tiksliai laikantis teorinės ribos, lieka mažai vietos įėjimo įtampos, apkrovos, aplinkos temperatūros, gamybos leistinų nuokrypių ir faktinių naudojimo sąlygų svyravimams.

12. Temperatūros kilimas turėtų būti išbandytas tikroviškomis sąlygomis

OĮG ir pramonės reikmėms teoriniai skaičiavimai turėtų būti paremti faktiniais bandymais.

Tipiškas įvertinimas gali apimti:

Transformatoriaus veikimas esant nurodytai įėjimo įtampai.

Taikant reikiamą perjungimo dažnį.

Antrinis įkeliamas iki nurodytos išėjimo galios.

Leidžia transformatoriui pasiekti šiluminę pusiausvyrą.

Apvijos, šerdies ar paviršiaus temperatūros matavimas.

Išmatuotos temperatūros palyginimas su nurodyta šilumine riba.

Svarbi testo sąranka.

Pavyzdžiui, transformatorius, sumontuotas ant atviros laboratorinės įrangos, gali išsklaidyti šilumą kitaip nei tas pats transformatorius, sumontuotas kompaktiškame PCB bloke.

Štai kodėl klientai, kai tik įmanoma, turėtų pateikti gamintojui faktines naudojimo sąlygas.

13. Kokią informaciją pirkėjai turėtų pateikti šiluminiam projektavimui?

Prašydami pasirinktinio transformatoriaus gamintojo sukurti aukšto dažnio transformatorių, pirkėjai turėtų pateikti daugiau nei įvesties ir išvesties įtampą.

Ši informacija gali žymiai pagerinti šiluminį dizainą:

Ši informacija leidžia gamintojui įvertinti transformatorių kaip visos galios{0}}konvertavimo sistemos dalį, o ne laikyti jį izoliuotu magnetiniu komponentu.

14. Temperatūros kilimas yra dizaino balansas, o ne tik bandymo rezultatas

Žemos temperatūros kilimo{0}}rezultatas yra vertingas, tačiau jis neturėtų būti vertinamas atskirai.

Aukšto dažnio transformatoriaus šiluminė charakteristika yra glaudžiai susijusi su:

Šerdies nuostoliai + vario nuostoliai + perjungimo dažnis + srovės tankis + apvijos konstrukcija + šilumos išsklaidymas + darbo aplinka

Vieno parametro pakeitimas gali turėti įtakos keliems kitiems.

Pavyzdžiui, didėjantis perjungimo dažnis gali leisti naudoti mažesnę šerdį, tačiau dėl to padidėję šerdies ir kintamosios srovės apvijų nuostoliai gali sukelti naują šiluminę problemą.

Panašiai, naudojant storesnę vielą, gali sumažėti nuolatinės srovės varža, tačiau gali padidėti apvijos vietos poreikis arba paveikti parazitų charakteristikas.

Todėl tikslas nėra tiesiog priversti transformatorių „veikti vėsiai“. Tikslas yra pasiekti subalansuotą magnetinį, elektrinį, šiluminį ir izoliacinį dizainą tikram pritaikymui.

Išvada

Temperatūros padidėjimas aukšto dažnio transformatoriuje daugiausia kyla dėl magnetinių šerdies nuostolių ir apvijų nuostolių, tačiau galutinis šiluminis efektyvumas priklauso nuo daug daugiau nei nuo šių dviejų veiksnių.

Pagrindinės medžiagos, srauto tankis, perjungimo dažnis, laidininko pasirinkimas, apvijų struktūra, srovės tankis, transformatoriaus dydis, izoliacijos sistema, aplinkos temperatūra, oro srautas ir apkrovos profilis – visa tai lemia galutinę darbinę temperatūrą.

Perjungiamojo maitinimo šaltinio atveju geriausias būdas yra įvertinti temperatūros kilimą transformatoriaus projektavimo etape, o ne bandyti išspręsti šilumines problemas užbaigus prototipą.

Dirbant su pasirinktu aukšto dažnio transformatoriaus gamintoju, suteikus visas elektros ir veikimo sąlygas, transformatoriaus konstrukciją galima optimizuoti ne tik atsižvelgiant į įtampą ir galią, bet ir siekiant ilgalaikio -šiluminio patikimumo.