Acht häufige Konstruktionsfehler bei hochfrequenten magnetischen Komponenten in Schaltnetzteilen
1) Füllen des Fensters des magnetkernoptimierten Designs
Viele Entwickler von Stromversorgungen glauben, dass beim Entwurf von Hochfrequenz-Magnetkomponenten das beste Design durch das Ausfüllen des Kernfensters erreicht werden kann, aber das ist nicht der Fall. Beim Entwurf vieler Hochfrequenztransformatoren und -induktoren können wir feststellen, dass das Hinzufügen einer oder mehrerer Wicklungsschichten oder die Verwendung von Lackdrähten mit größerem Drahtdurchmesser nicht nur nicht den optimalen Effekt erzielen kann, sondern aufgrund des Näherungseffekts in der Wicklung auch den Gesamtwicklungsverlust erhöht.
Daher spielt es bei der Konstruktion hochfrequenter magnetischer Komponenten keine Rolle, wenn die Wicklung das Eisenkernfenster nicht vollständig umschließt, sondern nur 25 % der Fensterfläche. Sie müssen nicht versuchen, die gesamte Fensterfläche auszufüllen.
Dieses Missverständnis wird hauptsächlich durch das Design magnetischer Komponenten für Netzfrequenzen beeinflusst. Bei der Konstruktion von Netzfrequenztransformatoren wird die Integrität von Kern und Wicklung betont, sodass zwischen Kern und Wicklung keine Lücke entsteht. Die Wicklung ist im Allgemeinen so ausgelegt, dass sie das gesamte Fenster ausfüllt und so ihre mechanische Stabilität gewährleistet. Bei der Konstruktion magnetischer Komponenten für Hochfrequenzen wird diese Anforderung jedoch nicht gestellt.
2) „Eisenverlust=Kupferverlust“-optimiertes Transformatordesign
Viele Leistungsdesigner führen sogar in vielen Nachschlagewerken zum Entwurf magnetischer Komponenten „Eisenverlust=Kupferverlust“ als eines der Kriterien für die optimale Konstruktion von Hochfrequenztransformatoren auf, aber das ist nicht der Fall. Bei der Konstruktion von Hochfrequenztransformatoren kann der Unterschied zwischen Eisenverlust und Kupferverlust groß sein und manchmal sogar eine Größenordnung erreichen, aber das bedeutet nicht, dass der Hochfrequenztransformator nicht gut konstruiert ist.
Dieses Missverständnis wird auch durch das Design des Netzfrequenztransformators beeinflusst. Netzfrequenztransformatoren nehmen aufgrund der großen Anzahl von Wicklungen oft eine große Fläche ein. Aus Sicht der thermischen Stabilität und thermischen Gleichmäßigkeit ergibt sich daher die empirische Designregel „Eisenverlust=Kupferverlust“.
Für Hochfrequenztransformatoren gilt diese Faustregel jedoch nicht. Bei der Entwicklung von Hochfrequenztransformatoren für Schaltnetzteile gibt es viele Faktoren, die das optimale Design bestimmen, und „Eisenverlust=Kupferverlust“ ist tatsächlich der am wenigsten bedeutsame Aspekt.
3) Magnetisierte Induktivität mit Streuinduktivität=1%
Nach dem Entwurf der magnetischen Komponenten erläutern viele Entwickler von Stromversorgungen häufig die Anforderungen an die Streuinduktivität, wenn sie den Transformatorherstellern die entsprechenden technischen Anforderungen übermitteln. Viele technische Datenblätter sind mit ähnlichen technischen Anforderungen gekennzeichnet, wie z. B. „Magnetisierungsinduktivität mit Streuinduktivität=1 %“ oder „Magnetisierungsinduktivität mit Streuinduktivität < 2 %“. Tatsächlich ist diese Art von Schreib- oder Entwurfsstandard sehr unprofessionell.
Der Entwickler des Netzteils sollte eine numerische Grenze für die zulässige Streuinduktivität entsprechend den normalen Betriebsanforderungen des Schaltkreises festlegen. Bei der Herstellung des Transformators sollte die Streuinduktivität so weit wie möglich reduziert werden, ohne andere Parameter des Transformators (wie die Kapazität zwischen den Windungen) zu verschlechtern, anstatt die proportionale Beziehung zwischen Streuinduktivität und Magnetisierungsinduktivität als technische Anforderung anzugeben.
Denn das Verhältnis zwischen Streuinduktivität und Magnetisierungsinduktivität variiert stark, je nachdem, ob im Transformator ein Luftspalt vorhanden ist oder nicht. Wenn kein Luftspalt vorhanden ist, kann die Streuinduktivität weniger als 0,1 % der Magnetisierungsinduktivität betragen, während bei einem Luftspalt das proportionale Verhältnis zwischen Streuinduktivität und Magnetisierungsinduktivität 10 % erreichen kann, selbst wenn die Transformatorwicklungen eng gekoppelt sind.
Daher sollte die proportionale Beziehung zwischen Streuinduktivität und Magnetisierungsinduktivität nicht als Konstruktionsindex für Transformatoren an den Hersteller magnetischer Komponenten weitergegeben werden. Andernfalls zeigt dies, dass Sie sich nicht mit dem Thema Streuinduktivität auskennen oder sich nicht wirklich für den tatsächlichen Wert der Streuinduktivität interessieren. Der richtige Weg besteht darin, den absoluten Wert der akzeptablen Streuinduktivität anzugeben. Natürlich kann ein bestimmter Anteil hinzugefügt oder abgezogen werden, und der typische Wert dieses Anteils beträgt 20 %.
4) Die Streuinduktivität hängt mit der Permeabilität des magnetischen Kerns zusammen.
Einige Entwickler von Netzteilen sind der Ansicht, dass das Hinzufügen eines magnetischen Kerns zu den Wicklungen die Wicklungen enger koppelt und die Streuinduktivität zwischen den Wicklungen verringert. Andere Entwickler von Netzteilen glauben, dass der magnetische Kern nach dem Hinzufügen des magnetischen Kerns zu den Wicklungen mit dem Feld zwischen den Wicklungen gekoppelt wird, was die Streuinduktivität erhöhen kann.
Tatsächlich hat die Streuinduktivität von zwei koaxialen Wicklungstransformatoren beim Entwurf von Schaltnetzteilen nichts mit der Existenz von Magnetkernen zu tun. Dieses Ergebnis ist möglicherweise unverständlich, da ein Material mit einer relativen Permeabilität von mehreren Tausend kaum Einfluss auf die Streuinduktivität hat, wenn es sich in der Nähe der Spule befindet.
Die Messergebnisse von Hunderten von Transformatoren zeigen, dass die Änderung der Streuinduktivität mit oder ohne Magnetkern grundsätzlich nicht mehr als 10 % beträgt und viele Änderungen sogar nur etwa 2 % betragen.
5) Der optimale Wert der Stromdichte der Transformatorwicklung beträgt 2 A/mm – 3,1 A/mm.
Viele Entwickler von Stromversorgungen betrachten bei der Entwicklung von magnetischen Hochfrequenzkomponenten häufig die Stromdichte in der Wicklung als Maßstab für optimales Design.
Tatsächlich hat das optimale Design nichts mit der Wicklungsstromdichte zu tun. Entscheidend ist, wie hoch der Verlust in der Wicklung ist und ob die Wärmeableitungsmaßnahmen ausreichen, um den Temperaturanstieg im zulässigen Bereich zu halten.
Wir können uns zwei Extremfälle von Wärmeableitungsmaßnahmen bei Schaltnetzteilen vorstellen. Wenn zur Wärmeableitung jeweils Flüssigkeitseintauchen und Vakuum verwendet werden, ist die entsprechende Stromdichte in der Wicklung ganz unterschiedlich.
Bei der tatsächlichen Entwicklung von Schaltnetzteilen ist uns die Stromdichte egal, sondern nur, wie heiß das Drahtpaket ist. Ist der Temperaturanstieg akzeptabel?
Dieses fehlerhafte Konzept besteht darin, dass Designer die Anzahl der Variablen und damit den Berechnungsprozess vereinfachen, um mühsames wiederholtes Ausprobieren zu vermeiden. Diese Vereinfachung erklärt jedoch nicht die Anwendungsbedingungen.
6), Primärwicklungsverlust=Sekundärwicklungsverlust "-optimiertes Transformatordesign.
Viele Entwickler von Stromversorgungen gehen davon aus, dass ein optimiertes Transformatordesign bedeutet, dass der Primärwicklungsverlust des Transformators dem Sekundärwicklungsverlust entspricht. Sogar in vielen Konstruktionsbüchern für magnetische Komponenten wird dies als Standard für optimales Design angesehen. Tatsächlich ist dies jedoch kein Standard für optimales Design.
In manchen Fällen können die Eisenverluste und Kupferverluste des Transformators ähnlich sein. Aber das spielt keine große Rolle, wenn es einen großen Unterschied zwischen den Verlusten der Primärwicklung und den Verlusten der Sekundärwicklung gibt.
Es muss noch einmal betont werden, dass es bei der Konstruktion von Hochfrequenz-Magnetkomponenten darauf ankommt, wie heiß die Wicklung im verwendeten Wärmeableitungsmodus ist. Primärwicklungsverlust=Sekundärwicklungsverlust ist nur eine empirische Regel bei der Konstruktion von Leistungsfrequenztransformatoren.
7) Wenn der Wicklungsdurchmesser kleiner als die Eindringtiefe ist, ist der Hochfrequenzverlust sehr gering.
Nur weil der Wicklungsdurchmesser kleiner als die Eindringtiefe ist, bedeutet das nicht, dass es keine großen Hochfrequenzverluste gibt. Wenn die Transformatorwicklung viele Schichten hat, kann es aufgrund des starken Proximity-Effekts zu großen Hochfrequenzverlusten kommen, selbst wenn der Drahtdurchmesser viel dünner als die Eindringtiefe ist.
Daher sollten wir bei der Betrachtung der Wicklungsverluste nicht nur den Verlust anhand der Dicke des Lackdrahtes beurteilen, sondern auch die Anordnung der gesamten Wicklungsstruktur umfassend berücksichtigen, einschließlich Wicklungsart, Wicklungsschichten und Wicklungsdicke.
8) Die Leerlaufresonanzfrequenz des Transformators im Vorwärtsstromkreis muss viel höher sein als die Schaltfrequenz.
Viele Entwickler von Stromversorgungen gehen beim Entwurf und Test von Transformatoren davon aus, dass die Leerlaufresonanzfrequenz des Transformators viel höher sein muss als die Schaltfrequenz des Konverters. Tatsächlich hat die Leerlaufresonanzfrequenz des Transformators nichts mit der Schaltfrequenz zu tun.
Wir können uns den Grenzfall vorstellen: Bei einem idealen Magnetkern ist seine Induktivität unendlich, es gibt aber auch eine relativ kleine Kapazität zwischen den Windungen, und seine Resonanzfrequenz liegt ungefähr bei Null, was viel kleiner ist als die Schaltfrequenz.
Was wirklich mit der Schaltung zusammenhängt, ist die Kurzschlussresonanzfrequenz des Transformators. Im Allgemeinen sollte die Kurzschlussresonanzfrequenz des Transformators mehr als zwei Größenordnungen der Schaltfrequenz betragen.
