Планарные трансформаторы
Потребность в высокоэффективных импульсных преобразователях мощности подстёгивает разработку оригинальных схемотехнических решений. Параллельно развивается элементная база: создаются как принципиально новые электронные компоненты, так и необычные варианты конструктивного исполнения элементов давно известных. Эти процессы поддерживают и усиливают друг друга.
С появлением силовых транзисторов на полупроводниках с широкой запрещённой зоной (нитрид галлия и карбид кремния) уменьшились потери энергии при переключении, а рабочие частоты импульсных преобразователей достигли сотен килогерц. У разработчиков инверторов и блоков питания появилась возможность сократить число дорогостоящих и потенциально ненадёжных электролитических конденсаторов, пропуская большую мощность через миниатюрные ферритовые импульсные трансформаторы, изготавливаемые новым способом.
Площе и лучше
Традиционный импульсный трансформатор (рис. 1) состоит из ферритового сердечника и пластмассовой бобины с обмотками из лакированного медного провода. Для надёжной изоляции между обмотками прокладывают несколько слоёв стеклоткани. (Тороидальные импульсные трансформаторы в этой статье не рассматриваются.)
В планарном трансформаторе (рис. 2) бобина и обмотки заменены печатными платами из фольгированного стеклотекстолита, на которых вытравлены медные проводники тщательно просчитанной формы. Платы уложены стопкой друг на друга. Если на одной плате вся обмотка не помещается, она занимает несколько плат, соединённых между собой. В мощных моделях может использоваться медная фольга на других подложках.
Планарный трансформатор обладает следующими преимуществами перед традиционным (при одинаковом объёме магнитопровода):
* меньшая высота (низкий профиль);
* большая площадь поверхности, способствующая охлаждению;
* большая площадь сечения магнитопровода, что позволяет сократить число витков в обмотках;
* меньший объём обмоток;
* возможность чередовать слои, принадлежащие разным обмоткам;
* благодаря большой площади поверхности печатных проводников снижаются потери на высокой частоте, возникающие из-за скин-эффекта;
* отличная повторяемость параметров при производстве.
Важно отметить, что с помощью печатных проводников легко согласовать расстояния между витками и слоями, добившись постоянной межвитковой ёмкости. А это - ключ к высокой эффективности преобразователя напряжения.
Сердечник планарного трансформатора бывает двух основных типов: с круглым и с прямоугольным внутренним сечением (рис. 3). В зависимости от этого меняется форма проводников на платах.
Тонкости
Известно, что высокочастотные токи вытесняются к поверхности проводника, занимая в нём лишь тонкий скин-слой. Толщина этого слоя обратно пропорциональна квадратному корню из частоты. В бескислородной чистой меди при температуре 100 °C и рабочей частоте 600 кГц скин-слой имеет толщину 0,1 мм.
Через обмотки импульсного трансформатора проходит переменный ток, но в некоторых схемах присутствует и постоянный. Сопротивление обмоток переменному и постоянному току неодинаково. Увеличивая толщину печатных проводников, можно снизить сопротивление постоянному, но не переменному току - последнее определяется глубиной скин-слоя и шириной проводника.
Отметим, что в однослойной обмотке скин-слой располагается только с одной стороны проводника - той, которая обращена к противоположной обмотке трансформатора. Почему? Образующееся между проводниками первичной и вторичной обмоток магнитное поле смещает токи к их встречным поверхностям. При этом в толще проводников вихревых токов не возникает, так что потери энергии минимальны.
В случае многослойных обмоток толщина печатных проводников не должна превышать глубину скин-слоя, иначе резко возрастут потери энергии на вихревые токи. При этом каждый проводник должен быть достаточно широким, чтобы иметь требуемое сечение. Именно поэтому конструкторы планарных трансформаторов стремятся их максимально «сплющить», увеличив предельную ширину обмотки bw и сократив количество витков в ней. Поскольку этот показатель должен быть целочисленным (хотя по расчётам могут выходить и дробные числа), низковольтную обмотку трансформатора часто сводят к одному витку.
Другой способ борьбы с потерями энергии на вихревые токи - чередование слоёв первичной и вторичной обмоток, которое позволяет разместить их проводники строго друг напротив друга. Параллельное подключение двух или трёх обмоток в случае, если только одна из них будет соседствовать с противоположной обмоткой, ничего не даст.
Мощность серийно выпускаемых планарных трансформаторов доходит до 100 кВт. Размеры некоторых устройств поразительно малы: 190x110x52 мм при мощности 10-100 кВт и 73x75x74 мм при мощности 3-10 кВт.
Каждому своё место
Конечно же у трансформаторов традиционной конструкции сохраняются важные преимущества. Во-первых, они занимают гораздо меньшую площадь на печатной плате инвертора или блока питания. Во-вторых, их производство требует меньше времени: когда есть запас магнитопроводов (а они выпускаются самых разных типоразмеров), намотать к ним катушки можно за несколько дней. Кроме того, трансформаторы с проволочными обмотками легко видоизменить, если возникнет необходимость доработать схему. Для модификации же планарных магнитных компонентов требуется заново разработать и запустить в производство печатные платы, из которых составлены их обмотки, а в некоторых случаях - заказать специфические ферромагнитные сердечники.
* * *
В авиакосмических и оборонных системах, в электромобилях, где критичны массогабаритные характеристики, а также в других крупносерийных изделиях с высокой удельной мощностью (на единицу массы или объёма) выигрывают планарные устройства, а практически во всех остальных случаях оптимальным выбором остаются традиционные трансформаторы с проволочными обмотками.
Читайте другие наши материалы
