Apakah Menyebabkan Peningkatan Suhu dalam Transformer Frekuensi Tinggi?

Kenaikan suhu adalah salah satu penunjuk terma yang paling penting apabila menilai pengubah frekuensi tinggi untuk menukar bekalan kuasa. Transformer mungkin memenuhi keperluan voltan, arus dan penebatnya semasa ujian elektrik, tetapi kenaikan suhu yang berlebihan masih boleh mengurangkan kecekapan, memendekkan hayat penebat dan mewujudkan masalah kebolehpercayaan dalam-aplikasi tugas berterusan.

Bagi jurutera dan pasukan pembelian, persoalan utama bukanlah semata-mata"Seberapa panaskah transformer itu?"Di sinilah datangnya haba dan parameter reka bentuk yang bertanggungjawab untuknya.

Dalam pengubah bekalan kuasa pensuisan praktikal, kenaikan suhu terutamanya berkaitan dengan kehilangan teras, kehilangan belitan, kekerapan operasi, ketumpatan arus, rintangan haba, pembinaan belitan dan keadaan operasi di sekelilingnya.

1. Kehilangan Teras Merupakan Salah Satu Sumber Utama Haba

Teras magnetik secara berterusan mengalami perubahan fluks magnet semasa -operasi frekuensi tinggi. Oleh itu, sebahagian daripada tenaga elektrik ditukar kepada haba di dalam teras.

Kehilangan teras biasanya dikaitkan dengan dua mekanisme utama:

Kehilangan histerisis

Kerugian semasa pusar

Apabila frekuensi pensuisan meningkat, kehilangan teras boleh menjadi faktor haba yang ketara. Hubungan itu tidak hanya berkadar dengan kekerapan kerana bahan teras, ketumpatan fluks, bentuk gelombang, dan suhu juga mempengaruhi kehilangan sebenar.

Untuk pengubah yang beroperasi pada frekuensi yang lebih tinggi, pemilihan teras pengubah menjadi sangat penting.

Menggunakan bahan teras yang sesuai untuk pengendalian frekuensi-yang lebih rendah tidak semestinya ia akan memberikan prestasi yang boleh diterima pada frekuensi pensuisan yang lebih tinggi.

Apakah yang Boleh Meningkatkan Suhu Teras?

Beberapa parameter boleh meningkatkan kehilangan teras:

Ketumpatan fluks yang berlebihan

Kekerapan pensuisan yang lebih tinggi

Bahan teras yang tidak sesuai

Suhu operasi yang tinggi

Bilangan pusingan utama yang salah

Bentuk gelombang magnet yang tidak-ideal

Inilah sebabnya mengapa reka bentuk pengubah tidak boleh hanya berdasarkan nisbah kuasa dan voltan. Titik operasi magnet juga mesti dipertimbangkan.

2. Kehilangan Kuprum Menyebabkan Kenaikan Suhu Penggulungan

Sumber haba utama kedua ialah kehilangan penggulungan.

Kehilangan tembaga asas DC boleh dinyatakan sebagai:

Pcu=I²R

di mana:

Pcu=kehilangan kuprum

I=arus belitan

R=rintangan belitan

Hubungan ini amat penting kerana kehilangan kuprum meningkat dengan cepat apabila arus meningkat.

Contohnya, jika arus belitan meningkat sebanyak 20%, kerugian I²R teoritikal meningkat sebanyak lebih kurang 44%, dengan mengandaikan rintangan kekal tidak berubah.

Oleh itu, belitan yang berfungsi dengan selesa pada satu aras beban mungkin mengalami kenaikan suhu yang jauh lebih besar apabila pengubah beroperasi hampir dengan kuasa terkadar maksimumnya.

3. Tinggi-Arus Kekerapan Mencipta Kerugian Belitan Tambahan

Untuk pengubah frekuensi tinggi, mengira hanya rintangan DC tidak mencukupi.

Pada frekuensi pensuisan yang lebih tinggi, pengedaran semasa di dalam konduktor menjadi tidak-sekata kerana:

Kesan kulit

Kesan kedekatan

Rintangan AC

Kesan kulit menyebabkan-arus frekuensi tinggi tertumpu ke arah kawasan luar konduktor dan bukannya diedarkan secara seragam ke seluruh bahagian-rentasnya.

Kesan kedekatan berlaku apabila medan magnet dari konduktor bersebelahan mengubah pengagihan arus dalam belitan.

Akibatnya, rintangan AC berkesan boleh lebih tinggi daripada rintangan DC.

Ini bermakna hanya menambah luas keratan-kuprum tidak selalu menyelesaikan masalah terma frekuensi tinggi-. Pembinaan penggulungan dan susunan konduktor juga penting.

4. Ketumpatan Semasa Secara Langsung Mempengaruhi Prestasi Terma

Ketumpatan semasa adalah satu lagi parameter reka bentuk yang penting.

Jika terlalu banyak arus dipaksa melalui konduktor dengan luas keratan-berkesan yang tidak mencukupi, belitan menghasilkan lebih banyak haba.

Untuk pengubah tersuai, pereka bentuk perlu mengimbangi:

Arus → saiz konduktor → ruang penggulungan → kehilangan kuprum → kenaikan suhu

Meningkatkan saiz konduktor boleh mengurangkan rintangan dan kehilangan tembaga, tetapi kawasan tingkap teras magnet yang tersedia adalah terhad.

Ini mewujudkan pertukaran reka bentuk praktikal-off.

Oleh itu, pengilang transformer perlu mempertimbangkan bukan sahaja arus yang diperlukan tetapi juga:

Arus primer

Arus sekunder

Diameter wayar

Bilangan wayar selari

Lapisan penggulungan

Tingkap penggulungan yang tersedia

Ketebalan penebat

Susunan penggulungan

Ini amat penting untuk transformer bekalan kuasa pensuisan padat, di mana ruang penggulungan yang tersedia adalah terhad.

5. Saiz Transformer Mempengaruhi Pelesapan Haba

Penjanaan haba hanya separuh daripada masalah haba.

Separuh lagi ialah seberapa cekap pengubah boleh melepaskan haba itu.

Transformer dengan kehilangan elektrik yang sama boleh mempunyai prestasi kenaikan suhu yang sangat berbeza-bergantung pada pembinaan fizikalnya.

Faktor penting termasuk:

Luas permukaan teras

Dimensi gelendong

Luas permukaan berliku

Bahan enkapsulasi

Kaedah pemasangan

Susun atur PCB

Aliran udara

Suhu persekitaran

Transformer padat mungkin mempunyai prestasi elektrik yang sangat baik tetapi kurang luas permukaan yang tersedia untuk pelesapan haba.

Ini adalah salah satu sebab mengapa pengecilan tidak boleh dianggap sebagai hanya mengurangkan dimensi fizikal pengubah sedia ada.

6. Bahan Penebat dan Enkapsulasi Juga Mempengaruhi Prestasi Terma

Bahan-bahan yang mengelilingi belitan mempengaruhi laluan di mana haba bergerak dari kuprum.

Dalam sesetengah pembinaan pengubah, bahan penebat, pita, gelendong atau sebatian pasu mencipta rintangan haba tambahan.

Untuk pengubah elektronik yang direka untuk operasi berterusan, pengilang perlu mempertimbangkan kedua-dua penebat elektrik dan pemindahan haba.

Selalunya terdapat pertukaran-antara:

Penebat dielektrik

Rayapan dan pelepasan

Perlindungan mekanikal

Kekonduksian terma

Ruang penggulungan yang tersedia

Reka bentuk yang menyediakan pengasingan elektrik yang sangat baik tetapi mengehadkan pemindahan haba mungkin memerlukan pertimbangan haba tambahan.

7. Kekerapan Operasi Merupakan Parameter Reka Bentuk Terma

Kekerapan mempengaruhi kedua-dua kehilangan teras dan kehilangan penggulungan, jadi ia harus dipertimbangkan semasa menilai kenaikan suhu pengubah.

Meningkatkan kekerapan pensuisan boleh membenarkan teras magnet yang lebih kecil dan lebih sedikit pusingan dalam beberapa reka bentuk. Walau bagaimanapun, ini tidak bermakna bahawa frekuensi yang lebih tinggi secara automatik menghasilkan pengubah yang lebih sejuk.

Pada frekuensi yang lebih tinggi, pereka mungkin menghadapi:

Peningkatan kehilangan teras

Peningkatan kehilangan tembaga AC

Kesan kulit yang lebih hebat

Kesan kedekatan yang lebih kuat

Kapasiti parasit yang lebih tinggi

Kawalan EMI yang lebih sukar

Oleh itu, kekerapan pensuisan optimum ialah keputusan reka bentuk peringkat-sistem dan bukannya pilihan mudah "lebih tinggi adalah lebih baik".

8. Keadaan Beban Mempunyai Kesan Besar terhadap Kenaikan Suhu

Sebuah pengubah yang beroperasi pada beban 30% dan satu yang beroperasi secara berterusan pada beban 100% tidak sepatutnya mempunyai kelakuan terma yang sama.

Untuk aplikasi bekalan kuasa, ujian suhu harus mempertimbangkan keadaan operasi sebenar, termasuk:

Untuk aplikasi OEM, adalah berguna untuk menentukan sama ada pengubah akan beroperasi secara berterusan pada beban terkadar atau di bawah tugas terputus-putus.

9. Suhu Ambien Mengubah Margin Terma Yang Tersedia

Kenaikan suhu tidak boleh dipertimbangkan secara bebas daripada suhu ambien.

Sebagai contoh, jika pengubah mempunyai kenaikan suhu 50 darjah dan beroperasi dalam persekitaran ambien 25 darjah, anggaran penggulungan atau suhu permukaannya boleh menghampiri:

25 darjah + 50 darjah=75 darjah

Jika pengubah yang sama beroperasi dalam persekitaran ambien 50 darjah, suhu yang sepadan boleh menghampiri:

50 darjah + 50 darjah=100 darjah

Kenaikan suhu itu sendiri mungkin serupa, tetapi suhu operasi mutlak sangat berbeza.

Ini amat penting untuk peralatan yang dipasang di dalam:

Kabinet kawalan industri

Peralatan pengecasan EV

Penyongsang PV

Sistem penyimpanan tenaga

Elektronik automotif

Bekalan kuasa perubatan

Elektronik pengguna tertutup

Untuk aplikasi ini, pengubah harus dinilai mengikut keadaan ambien dan kepungan sebenar daripada suhu bilik makmal sahaja.

10. Susunan Penggulungan Boleh Membuat Perbezaan Yang Ketara

Struktur penggulungan mempengaruhi prestasi elektrik dan kelakuan terma.

Sebagai contoh, susunan penggulungan yang berbeza boleh berubah:

Kearuhan kebocoran

Kapasiti bersambung

Rintangan AC

Pemindahan haba

Jarak penebat

Kawasan tembaga yang tersedia

Penggulungan yang tidak tersusun dengan baik boleh mewujudkan titik panas setempat walaupun suhu purata pengubah kelihatan boleh diterima.

Untuk pengubah frekuensi tinggi tersuai, pembinaan penggulungan perlu dipertimbangkan bersama-sama dengan keperluan elektrik.

Bergantung pada aplikasi, pengilang boleh menilai:

Penggulungan lapisan

Penggulungan keratan

Konduktor selari

Kawat litz

Susunan primer/menengah

Penggulungan berselang

Sistem penebat

Penyelesaian yang sesuai bergantung pada kekerapan operasi, arus, voltan, keperluan pengasingan dan kekangan fizikal.

11. Bagaimana Pengilang Kawal Kenaikan Suhu

Pengilang pengubah frekuensi tinggi yang boleh dipercayai tidak menyelesaikan kenaikan suhu dengan satu parameter.

Prestasi terma biasanya ditangani melalui beberapa keputusan reka bentuk.

Pemilihan Teras

Pilih bahan magnetik dan saiz teras yang sesuai untuk kekerapan operasi, kuasa dan ketumpatan fluks.

Giliran Utama

Bilangan lilitan utama mesti mengekalkan ketumpatan fluks magnet yang sesuai di bawah keadaan-voltan dan penukaran input sebenar.

Reka Bentuk Penggulungan

Pilih saiz konduktor dan konfigurasi belitan mengikut arus RMS dan kesan frekuensi-tinggi dan bukannya hanya rintangan DC.

Pengoptimuman Kerugian

Kurangkan kehilangan teras dan kuprum yang tidak perlu melalui pemilihan bahan dan pembinaan penggulungan yang sesuai.

Laluan Terma

Pertimbangkan bagaimana haba bergerak dari teras dan belitan ke gelendong, PCB, kepungan dan udara sekeliling.

Margin Operasi

Reka bentuk tepat pada had teori meninggalkan sedikit ruang untuk variasi dalam voltan input, beban, suhu ambien, toleransi pembuatan dan keadaan aplikasi sebenar.

12. Kenaikan Suhu Perlu Diuji Dalam Keadaan Realistik

Untuk aplikasi OEM dan industri, pengiraan teori harus disokong oleh ujian sebenar.

Penilaian biasa mungkin termasuk:

Mengendalikan pengubah pada voltan masukan yang ditentukan.

Menggunakan frekuensi pensuisan yang diperlukan.

Memuatkan sekunder kepada kuasa keluaran yang ditentukan.

Membenarkan pengubah mencapai keseimbangan terma.

Mengukur suhu penggulungan, teras atau permukaan.

Membandingkan suhu yang diukur dengan had haba yang ditentukan.

Persediaan ujian adalah penting.

Sebagai contoh, pengubah yang dipasang pada lekapan makmal terbuka boleh menghilangkan haba secara berbeza daripada pengubah yang sama yang dipasang di dalam pemasangan PCB padat.

Inilah sebabnya mengapa pelanggan harus memberikan pengilang dengan syarat aplikasi sebenar apabila boleh.

13. Apakah Maklumat Yang Perlu Diberikan oleh Pembeli untuk Reka Bentuk Terma?

Apabila meminta pengeluar pengubah tersuai untuk membangunkan pengubah frekuensi tinggi, pembeli harus menyediakan lebih daripada voltan input dan output.

Maklumat berikut boleh meningkatkan reka bentuk haba dengan ketara:

Maklumat ini membolehkan pengilang menilai pengubah sebagai sebahagian daripada sistem-penukaran kuasa yang lengkap dan bukannya menganggapnya sebagai komponen magnet terpencil.

14. Kenaikan Suhu Adalah Keseimbangan Reka Bentuk, Bukan Sekadar Keputusan Ujian

Hasil kenaikan suhu rendah-adalah berharga, tetapi ia tidak seharusnya dinilai secara bebas.

Untuk pengubah frekuensi tinggi, prestasi terma berkait rapat dengan:

Kehilangan teras + kehilangan kuprum + kekerapan pensuisan + ketumpatan arus + pembinaan belitan + pelesapan haba + persekitaran operasi

Menukar satu parameter boleh menjejaskan beberapa yang lain.

Sebagai contoh, peningkatan kekerapan pensuisan mungkin membenarkan teras yang lebih kecil, tetapi peningkatan yang terhasil dalam kehilangan penggulungan teras dan AC boleh menimbulkan masalah haba baharu.

Begitu juga, menggunakan wayar yang lebih tebal boleh mengurangkan rintangan DC tetapi boleh meningkatkan keperluan ruang penggulungan atau menjejaskan ciri parasit.

Oleh itu, objektifnya bukan semata-mata untuk menjadikan transformer "berjalan sejuk." Objektifnya adalah untuk mencapai reka bentuk magnet, elektrik, haba dan penebat yang seimbang untuk aplikasi sebenar.

Kesimpulan

Kenaikan suhu dalam pengubah frekuensi tinggi terutamanya disebabkan oleh kehilangan teras magnet dan kehilangan penggulungan, tetapi prestasi terma akhir bergantung kepada lebih daripada dua faktor ini.

Bahan teras, ketumpatan fluks, kekerapan pensuisan, pemilihan konduktor, struktur penggulungan, ketumpatan arus, saiz pengubah, sistem penebat, suhu ambien, aliran udara dan profil beban semuanya menyumbang kepada suhu operasi akhir.

Untuk menukar aplikasi bekalan kuasa, pendekatan terbaik ialah menilai kenaikan suhu semasa peringkat reka bentuk pengubah dan bukannya cuba menyelesaikan masalah terma selepas prototaip siap.

Apabila bekerja dengan pengilang pengubah frekuensi tinggi tersuai, menyediakan keadaan elektrik dan operasi yang lengkap membolehkan reka bentuk pengubah dioptimumkan bukan sahaja untuk voltan dan kuasa, tetapi juga untuk kebolehpercayaan terma jangka-panjang.