Nová generace planárních transformátorů

Firma Pulse Electronics během posledních let dokázala značně snížit nákladovost a zvýšit výkonnost planárních magnetických obvodů. Více informací o tomto tématu můžete nalézt v dokumentu [1]. Nicméně základní struktura vinutí s několikanásobnými vrstvami stále limituje použití planárních transformátorů na aplikace s nízkými výkony (méně než 250 W). Tento článek vysvětluje, proč je těsnější vazba mezi vinutím tak důležitá k tomu, aby se dosáhlo požadované účinnosti při vysokých výkonech. Ke zlepšenému výsledku a výkonu planárního transformátoru až do 1 kW od firmy Pulse Electronics vedly dva kroky v jejich vývoji. První spočíval v optimalizaci návrhu jádra transformátoru a druhý v patentované technice vinutí.

Topologie převodu pro aplikace s vyšším výkonem

Relativně jednoduchá struktura prokládaných vinutí u současných planárních transformátorů funguje dobře pro topologii dvoucestných usměrňovačů poskytujících výkon až 250 W. Pro zapojení s vyšším výkonem by šlo, dle uvážení, použít můstkový usměrňovač, ale dostupná řešení s planárními transformátory zde naráží na určité omezení. Schémata 1 a 2 poukazují na princip operace při dvoucestném usměrnění a na záležitosti, které s nimi souvisí.

Střídavě spínané kontakty S1 a S2 způsobují indukci vždy v jiné polovině sekundárního vinutí, čímž vzniká výstupní napětí, které je úměrné poměru vinutí Nsec/Npri a které je regulováno cyklem spínání. Klíčem k nejvyšší účinnosti je dobrá vazba mezi primárním a sekundárním vinutím i mezi polovinami sekundárního vinutí. Toho je obtížné dosáhnout s několikavrstvým vinutím v závislosti na dnešních technologiích tak, abychom se vyhnuli složité segmentaci vinutí, která by přidala počet vývodů a zvýšila výrobní náklady. Optimálním řešením je úplné prokládání vinutí s minimálním počtem závitů a bez segmentace vinutí. Toho je dosaženo pomocí nového typu vinutí a jádra.

Hluboce prokládané vinutí ploché cívky

Firma Pulse Electronics vyvinula novou patentovanou techniku vinutí, která umožňuje jeho těsnou vzájemnou vazbu podobně, jako tomu je u vícevrstvých DPS, při výhodné ceně a využití výhod současných plochých cívek planárních transformátorů. Spirálová vinutí plochých cívek jsou do sebe protichůdným otáčením „zašroubována“ tak, jak je ukázáno na obr. 1 vpravo.

Tímto způsobem lze efektivně uplatnit potřebné vazby mezi vinutími, kde je vyžadována velice nízká míra zbytkové indukčnosti. Hlubokého prokládání vinutí je dosaženo bez jakýchkoliv přidaných segmentů. Ve skutečnosti je možné zredukovat počet dosavadních segmentů vinutí podle tabulky 1.

Zbytková indukčnost se touto jednodušší konstrukcí vinutí snižuje. Snížení počtu segmentů vinutí a počtu vývodů vedlo ke snížení nákladů o 20 %. Dalšího snížení zbytkové indukčnosti lze dosáhnout optimalizací konstrukce jádra tak, aby se snížil počet závitů.

Optimalizace konstrukce jádra planárního transformátoru

Běžná ER jádra planárních transformátorů mají velké otvory pro několik vývodů, které jsou potřebné pro zakončení vinutí a jeho připojení. Vinutí a vývody vystupují většinou mimo jádro, což ve výsledku vyžaduje relativně velký prostor pro použití planárních transformátorů na desce plošných spojů. Nicméně s menším počtem vývodů u hluboce prokládaných vinutí transformátorů se naskýtá možnost optimalizovat rozměry jádra pro kompaktnější řešení. Analýzou magnetického pole pomocí metody konečných prvků lze určit, jak konstrukčně upravit jádro tak, aby se zvýšil jeho efektivní průřez. Výsledkem je nová konstrukce jádra, jejíž porovnání se současným jádrem je na obr. 2.

Analýzou pomocí metody konečných prvků jsme zjistili nehomogenní rozložení magnetického pole s vyšší hustotou uprostřed. Optimalizované ERPlus jádro (na obr. 2 vpravo) dosahuje homogennějšího rozložení toku magnetického pole, a přitom zvyšuje účinek průřezu jádra o 40 % při zachování stejné geometrie jádra. Jelikož počet závitů vinutí je nepřímo úměrný ploše průřezu jádra, lze snížit počet závitů pro daný výkon. Tím se sníží stejnosměrný odpor i zbytková indukčnost, takže se zvýší výkonová kapacita. Výkon při použití ERPlus jader je asi o 50 % vyšší než u podobně velkých ER jader.

Závěr

Velkého pokroku ve výrobě planárních transformátorů a dalšího snížení jejich cen bylo dosaženo pomocí dvou důležitých faktorů. Platforma ERPlus nabízí o 40 % větší účinnou plochu průřezu jádra v porovnání se stávajícími platformami planárních obvodů srovnatelné velikosti. Nová technologie hluboce prokládaného vinutí umožňuje snížit cenu až o 20 % snížením náročnosti navíjení a montáže při porovnatelně stejném výkonu. Tato další generace konstrukcí planárních magnetických obvodů je výkonově přizpůsobivá a rozšiřuje možnosti planární výkonové elektroniky od Pulse Electronics až do výkonu 1 kW.

Literatura:

[1] www.pulseelectronics.com/download/3794/g046/pdf