Osiem typowych błędów projektowych elementów magnetycznych wysokiej częstotliwości w zasilaczach impulsowych
1) Wypełnienie okna o konstrukcji zoptymalizowanej pod kątem rdzenia magnetycznego
Wielu projektantów zasilaczy uważa, że przy projektowaniu elementów magnetycznych o wysokiej częstotliwości najlepszy projekt można uzyskać wypełniając okno rdzenia, ale tak nie jest. Projektując wiele transformatorów i cewek wysokiej częstotliwości, możemy zauważyć, że dodanie jednej lub więcej warstw uzwojeń lub użycie emaliowanych drutów o większej średnicy nie tylko nie pozwoli uzyskać optymalnego efektu, ale zwiększy całkowite straty w uzwojeniu ze względu na efekt bliskości w uzwojeniu.
Dlatego przy projektowaniu elementów magnetycznych o wysokiej częstotliwości nie ma znaczenia, nawet jeśli uzwojenie nie owinie całkowicie okna z żelaznym rdzeniem, a jedynie owinie 25% powierzchni okna. Nie musisz próbować wypełnić całego obszaru okna.
Na to błędne przekonanie wpływa głównie konstrukcja elementów magnetycznych o częstotliwości sieciowej. W konstrukcji transformatora częstotliwości energetycznej podkreśla się integralność rdzenia i uzwojenia, więc nie ma szczeliny między rdzeniem a uzwojeniem, a uzwojenie jest ogólnie zaprojektowane tak, aby wypełniać całe okno, zapewniając w ten sposób jego stabilność mechaniczną. Jednak konstrukcja elementów magnetycznych o wysokiej częstotliwości nie przewiduje tego wymogu.
2) Konstrukcja transformatora zoptymalizowana pod kątem „utraty żelaza=strat miedzi”.
Wielu projektantów systemów zasilania, nawet w wielu podręcznikach dotyczących projektowania elementów magnetycznych, wymienia „utratę żelaza=utratę miedzi” jako jedno z kryteriów optymalnego projektowania transformatorów wysokiej częstotliwości, ale tak nie jest. W konstrukcji transformatora wysokiej częstotliwości różnica między utratą żelaza a utratą miedzi może być duża, a czasami różnica może nawet sięgać rzędu wielkości, ale nie oznacza to, że transformator wysokiej częstotliwości nie jest dobrze zaprojektowany.
Na to błędne przekonanie ma również wpływ konstrukcja transformatora częstotliwości energetycznej. Transformatory częstotliwości często zajmują dużą powierzchnię ze względu na dużą liczbę uzwojeń, dlatego z punktu widzenia stabilności termicznej i równomierności termicznej uzyskuje się empiryczną regułę obliczeniową „straty żelaza=strat miedzi”.
Jednak w przypadku transformatorów wysokiej częstotliwości ta praktyczna zasada nie obowiązuje. Podczas projektowania transformatora wysokiej częstotliwości do zasilaczy impulsowych istnieje wiele czynników decydujących o optymalnym projekcie, a „utrata żelaza=utrata miedzi” jest właściwie najmniej istotnym aspektem.
3) Indukcyjność namagnesowana z indukcyjnością rozproszenia=1%
Po zaprojektowaniu elementów magnetycznych wielu projektantów zasilaczy często wyjaśnia wymagania dotyczące indukcyjności rozproszenia, przedstawiając producentom transformatorów odpowiednie wymagania techniczne. Wiele kart technicznych jest oznaczonych podobnymi wymaganiami technicznymi, takimi jak „indukcyjność magnesowania przy indukcyjności rozproszenia=1%” lub „indukcyjność magnesowania przy indukcyjności rozproszenia < 2%”. W rzeczywistości tego rodzaju standardy pisania lub projektowania są bardzo nieprofesjonalne.
Projektant zasilacza powinien ustalić liczbowy limit dopuszczalnej indukcyjności rozproszenia zgodnie z normalnymi wymaganiami roboczymi obwodu. W procesie wytwarzania transformatora należy maksymalnie zmniejszyć indukcyjność rozproszenia bez pogarszania innych parametrów transformatora (takich jak pojemność zwojowa), zamiast podawać jako wymaganie techniczne proporcjonalną zależność między indukcyjnością rozproszenia a indukcyjnością magnesowania .
Ponieważ związek między indukcyjnością rozproszenia a indukcyjnością magnesowania różni się znacznie w zależności od obecności lub braku szczeliny powietrznej w transformatorze. Gdy nie ma szczeliny powietrznej, indukcyjność rozproszenia może być mniejsza niż 0,1% indukcyjności magnesującej, natomiast gdy występuje szczelina powietrzna, nawet jeśli uzwojenia transformatora są blisko sprzężone, proporcjonalna zależność między wyciekiem indukcyjność i indukcyjność magnesowania mogą osiągnąć 10%.
Dlatego też producentowi elementów magnetycznych nie należy podawać proporcjonalnej zależności pomiędzy indukcyjnością rozproszenia a indukcyjnością magnesowania jako wskaźnika konstrukcyjnego transformatora. W przeciwnym razie pokaże, że nie rozumiesz wiedzy o wyciekach lub naprawdę zależy ci na rzeczywistej wartości wycieku. Prawidłowym sposobem jest określenie wartości bezwzględnej dopuszczalnej indukcyjności rozproszenia. Oczywiście można dodać lub odjąć pewną proporcję, a typowa wartość tej proporcji wynosi 20%.
4) Indukcyjność rozproszenia jest powiązana z przepuszczalnością rdzenia magnetycznego.
Niektórzy projektanci zasilaczy uważają, że dodanie rdzenia magnetycznego do uzwojeń sprawi, że uzwojenia będą ściślej sprzężone i zmniejszą indukcyjność rozproszenia między uzwojeniami; Niektórzy projektanci zasilaczy uważają, że rdzeń magnetyczny zostanie sprzężony z polem między uzwojeniami po dodaniu rdzenia magnetycznego do uzwojeń, co może zwiększyć indukcyjność rozproszenia.
W rzeczywistości przy projektowaniu zasilacza impulsowego indukcyjność rozproszenia dwóch koncentrycznych transformatorów uzwojenia nie ma nic wspólnego z istnieniem rdzeni magnetycznych. Wynik ten może być niezrozumiały, ponieważ materiał o przepuszczalności względnej kilku tysięcy ma niewielki wpływ na indukcyjność rozproszenia, gdy znajduje się blisko cewki.
Zmierzone wyniki setek transformatorów pokazują, że zmiana indukcyjności rozproszenia wynosi w zasadzie nie więcej niż 10% z rdzeniem magnetycznym lub bez, a wiele zmian wynosi tylko około 2%.
5) Optymalna wartość gęstości prądu uzwojenia transformatora wynosi 2A/mm ~ 3,1A/mm.
Wielu projektantów zasilaczy często uważa gęstość prądu w uzwojeniu za standard optymalnego projektu podczas projektowania komponentów magnetycznych o wysokiej częstotliwości.
W rzeczywistości optymalna konstrukcja nie ma nic wspólnego z gęstością prądu uzwojenia. Naprawdę ważne jest, jak duże są straty w uzwojeniu i czy środki odprowadzające ciepło wystarczą, aby zapewnić wzrost temperatury w dopuszczalnym zakresie.
Możemy sobie wyobrazić dwa skrajne przypadki środków rozpraszania ciepła w zasilaczu impulsowym. Gdy do rozpraszania ciepła stosuje się odpowiednio zanurzenie w cieczy i próżnię, odpowiednia gęstość prądu w uzwojeniu będzie zupełnie inna.
W rzeczywistym rozwoju zasilaczy impulsowych nie zwracamy uwagi na gęstość prądu, a jedynie na to, jak gorąca jest wiązka przewodów. Czy wzrost temperatury jest akceptowalny?
Ta błędna koncepcja polega na tym, że projektanci upraszczają liczbę zmiennych, a tym samym upraszczają proces obliczeń, aby uniknąć żmudnych i powtarzanych prób i błędów, ale to uproszczenie nie wyjaśnia warunków zastosowania.
6), straty uzwojenia pierwotnego=straty uzwojenia wtórnego” – zoptymalizowana konstrukcja transformatora.
Wielu projektantów zasilaczy uważa, że zoptymalizowana konstrukcja transformatora odpowiada stracie uzwojenia pierwotnego transformatora równej stracie uzwojenia wtórnego. Nawet w wielu podręcznikach projektowania komponentów magnetycznych jest to uważane za standard optymalnego projektu. W rzeczywistości nie jest to standard optymalnego projektu.
W niektórych przypadkach straty żelaza i miedzi w transformatorze mogą być podobne. Ale nie ma to większego znaczenia, jeśli istnieje duża różnica między stratą uzwojenia pierwotnego a stratą uzwojenia wtórnego.
Należy jeszcze raz podkreślić, że przy projektowaniu elementów magnetycznych o wysokiej częstotliwości zwracamy uwagę na to, jak gorące jest uzwojenie w zastosowanym trybie rozpraszania ciepła. Straty uzwojenia pierwotnego=straty uzwojenia wtórnego to jedynie zasada empiryczna przy projektowaniu transformatora częstotliwości energetycznej.
7) Jeżeli średnica uzwojenia jest mniejsza niż głębokość penetracji, straty przy wysokich częstotliwościach będą bardzo małe.
To, że średnica uzwojenia jest mniejsza niż głębokość penetracji, nie oznacza, że nie ma dużych strat w wysokich częstotliwościach. Jeśli w uzwojeniu transformatora znajduje się wiele warstw, nawet jeśli średnica drutu jest znacznie cieńsza niż głębokość penetracji, może to spowodować duże straty w zakresie wysokich częstotliwości z powodu silnego efektu bliskości.
Dlatego też rozważając straty uzwojenia, należy nie tylko oceniać straty na podstawie grubości drutu emaliowanego, ale także kompleksowo rozważyć rozmieszczenie całej konstrukcji uzwojenia, uwzględniając sposób nawijania, warstwy uzwojenia i grubość uzwojenia.
8) Częstotliwość rezonansowa obwodu otwartego transformatora w obwodzie przewodzenia musi być znacznie wyższa niż częstotliwość przełączania.
Wielu projektantów zasilaczy uważa, że podczas projektowania i testowania transformatora częstotliwość rezonansowa transformatora w obwodzie otwartym musi być znacznie wyższa niż częstotliwość przełączania przetwornicy. W rzeczywistości częstotliwość rezonansowa transformatora w obwodzie otwartym nie ma nic wspólnego z częstotliwością przełączania.
Możemy sobie wyobrazić przypadek graniczny: dla idealnego rdzenia magnetycznego jego indukcyjność jest nieskończona, ale pojemność międzyzwojowa będzie również stosunkowo niewielka, a jego częstotliwość rezonansowa wynosi w przybliżeniu zero, czyli znacznie mniej niż częstotliwość przełączania.
To, co tak naprawdę jest związane z obwodem, to częstotliwość rezonansowa transformatora zwarciowego. Ogólnie rzecz biorąc, częstotliwość rezonansowa zwarcia transformatora powinna być większa niż dwa rzędy wielkości częstotliwości przełączania.
