Transformatory do przekształcania energoelektronicznego wysokiej częstotliwości - przegląd wybranych konstrukcji

ZESZY TY N A U K O W E P O LITEC H N IK I ŚLĄSKIEJ Seria: EL E K T R Y K A z. 172

2000 N r kol. 1470

Bogusław G R ZESIK G rzegorz OM B ACH

TRANSFORMATORY DO PRZEKSZTAŁCANIA ENERGOELEKTRO- NICZNEGO WYSOKIEJ CZĘSTOTLIWOŚCI - PRZEGLĄD WYBRA­

NYCH KONSTRUKCJI

Streszczenie. A rtykuł pośw ięcony je st transform atorom energoelektronicznym wysokiej częstotliw ości przeznaczonym do przekształcania energoelektronicznego. O bejm uje on za­

gadnienia zw iązane z podziałem , budow ą i zastosow aniem transform atorów wysokiej często­

tliwości w ykorzystyw anych do przekształcania energoelektronicznego.

W pracy om ów iono dw ie zasadnicze grupy transform atorów . P ierw szą stanow ią transfor­

matory bezrdzeniow e (bez m agnetow odu ferrom agnetycznego, pow ietrzne), d rugą tw orzą transform atory rdzeniow e (z obw odem ferrom agnetycznym , ferrytowe). Każda z nich obejm uje kilka odm ian w yróżnionych ze w zględu na konstrukcję uzwojeń.

TRANSFORMERS FOR POWER ELECTRONICS OF HIGH FREQUENCY - OVER WIEW OF THE DESIGNS

Sum m ary. The w ork is devoted to high frequency transform ers for appliances in power electronics. The paper is an overw iew o f the subject characterising conteporaty constructions.

There are classification, design and applications o f the transform ers given in the paper. Basing on the existence o f m agnetic core tw o classes o f transform ers are described in the paper. The coreless transform ers form s the first class w hile the ones w ith m agnetic core are o f the second one. Each class is divided into subclasses according to the type o f w inding design.

1. W STĘP

W spółczesne badanie i prace inżynierskie dotyczące transform atorów w ysokiej częstotli­

wości przeznaczonych do w ykorzystania w energoelektronice obejm ują zagadnienia ukierun­

kow ane na zw iększenie częstotliw ości pracy, podw yższenie spraw ności, pow iększenie gęsto­

ści mocy (m asow ej i objętościow ej) oraz na zredukowanie ceny. Pow yższe cele m ożna osią­

gnąć na kilka różnych sposobów , czego w yrazem jest w iele now ych konstrukcji opracowa­

nych w okresie ostatniej dekady.

Potrzeba konstruow ania tego typu transform atorów wynika z zapotrzebowania, jakie istnieje w dw óch obszarach energoelektroniki, tzn. w przekształcaniu DC / DC oraz w przekształtnikach

68 B.G rzesik,G .O m bach DC / A C, np. do nagrzew ania indukcyjnego, do nagrzew ania pojem nościow ego oraz do ste­

row ania tranzystorów .

C elem niniejszej pracy je s t przedstaw ienie w ybranych konstrukcji transform atorów w yso­

kiej częstotliw ości (100kH z - kilkunastu M Hz) stosow anych w przekształcaniu energoelek- tronicznym ze szczególnym rozróżnieniem dw óch grup transform atorów . P ierw szą grupę sta­

n o w ią konstrukcje bezrdzeniow e (bez m agnetow odu ferrom agnetycznego - pow ietrzne). D ru­

ga grupa to transform atory rdzeniow e (z obw odem ferrom agnetycznym - ferrytowe).

Praca niniejsza je s t p ró b ą ustalenia stanu aktualnego w dziedzinie konstrukcji transform a­

torów do przekształcania energoelektronicznego w ysokiej częstotliw ości.

Systematyczne podejście do analizy stanu aktualnego powinno mieć postać pełnej analizy porów­

nawczej, w której należy uwzględnić takie czynniki, jak m aksim um spraw ności, m inim um masy (W /g), m inim um objętości (W /cm 3), m inim um generow anych pól elektrom agnetycznych, m inim um czułości na zew nętrzne pola elektrom agnetyczne, m inim um czułości na tem peratu­

rę, m inim um nierów nom iem ości rozkładu tem peratury w objętości transform atora oraz m ini­

m um trudności technologicznych przy produkcji, m inim um kosztu. W ym aga to przeprow a­

dzenia obliczeń num erycznych i w ykonania odpow iednich pom iarów w ybranych, reprezenta­

tyw nych w ariantów konstrukcyjnych. System atyczna analiza potrzebuje rów nież ustalenia m odelu obw odow ego transform atora i je g o param etrów . Jest to niezbędne dla celów np. sy­

m ulacji. Jednym z zadań takiej analizy pow inno być ustalenie obszarów zastosow ań transfor­

m atorów bezrdzeniow ych i rdzeniow ych ze w zględu na częstotliw ość i moc. N iniejsza praca je st pierw szym etapem analizy porów naw czej transform atorów energoelektronicznych w yso­

kiej częstotliw ości.

2. P O D Z IA Ł T R A N SF O R M A T O R Ó W W Y SO K IE J C Z Ę ST O T L IW O ŚC I Z E W Z G L Ę D U N A K O N S T R U K C JĘ

W pracy dokonano podziału transform atorów w ysokiej częstotliw ości ze w zględu na kon­

strukcję obw odu m agnetycznego oraz konstrukcję uzw ojeń.. O kreślenie „konstrukcja” ozna­

cza sposób w y k onania obw odu m agnetycznego oraz uzw ojeń transform atora.

Ze w zględu n a obw ód m agnetyczny rozróżnia się transform atory bezrdzeniow e oraz trans­

form atory rdzeniow e.

Z e w zględu n a konstrukcję uzw ojeń w yróżnia się:

• w śród transform atorów bezrdzeniow ych konstrukcje: podstaw ow ą (K PB ), drukow aną (PC B B ) oraz sk rętk o w ą(K S (B )),

• w śród transform atorów rdzeniow ych: konstrukcję podstaw ow ą (K PR), w spółosiow ą (koaksjalną) (K K R ), płaską (K PłR ), planarną (KP1R) oraz konstrukcję drukow aną (PC B R ),

(do konstrukcji podstaw ow ej należy zaliczyć uzw ojenia w ykonane z drutu o standardow ym profilu oraz z przew odu ty p u lica i z taśm y, przy czym m o g ą to być uzw ojenia np. jednow ar­

stw ow e, lub w ielow arstw ow e).

W ym ienione rodzaje transform atorów są szeroko stosow ane w energoelektronice.

Z analizy literatury w ynika, że najczęściej stosow ane s ą transform atory rdzeniow e, chociaż ostatnio w iele uw agi pośw ięca się transform atorom bezrdzeniow ym [F I], [G5], [H I]. Badania w obszarach transform atorów zarów no bezrdzeniow ych, ja k i rdzeniow ych prow adzone są w celu uzyskania ich w yższej spraw ności, obniżenia m asy i gabarytów , podw yższenia technolo- giczności oraz o b niżenia kosztów .

Transform atory do przekształcania.. 69

3. T R A N SF O R M A T O R Y BE Z R D Z E N IO W E (PO W IETRZNE)

3.1. T ransform ator o k onstrukcji podstaw ow ej bezrdzeniowy KPB [R2], [Z I], [L I], [G5], [G6], [G7], [G8], [G9]

Transform atory pow ietrzne o konstrukcji podstawowej były stosow ane pow szechnie w generatorach lam pow ych pracujących przy częstotliw ościach rzędu 400kH z, przeznaczonych do nagrzew ania indukcyjnego.

K onstrukcję podstaw ow ą om aw ia się na przykładzie rozw iązania z rys. 1. Było ono przed­

m iotem badań prow adzonych przez autorów [G5] - [G9].

Jest to transform ator o przekładni zwojow ej i3=12/l. U zw ojenia wykonane są z miedzi.

U zw ojenie pierw otne w ykonane je st z przewodu m iedzianego typu lica lub rurka m iedziana o przekroju okrągłym , lub prostokątnym . W drugim przypadku je st ono chłodzone w odą. U zw o­

jenie w tórne z chłodzeniem pow ietrznym naturalnym w ykonane je st z taśmy. M oże ono być rów nież chłodzone w odą, np. przepływ ającą w przylutowanych do niego rurkach. W innym w ariancie chłodzenia w odnego uzw ojenie to m a postać w alca w ew nątrz pustego przy odległo­

ści pow ierzchni w alcow ych 1-3 mm; rów nom ierność chłodzenia uzyskuje się za pom ocą sys­

tem u odpow iednich kierow nic. U zw ojenia są oddzielone odpow iednią w arstw ą izolacji. K o­

rzystniejsze je st um ieszczenie uzw ojenia pierw otnego wew nątrz uzw ojenia w tórnego ze w zględu na nieco w yższą spraw ność, technologiczność oraz bezpieczeństw o przed poraże­

niem . Spraw ność je s t w yższa o ok. 0.3% . U zw ojenie wtórne takie ja k na rys. 1 upraszcza kon­

strukcyjnie w yprow adzenia w iodące prąd do obciążenia oraz upraszcza chłodzenie wodne.

U zw ojenie w tórne transform atora obniżającego um ieszczone na zew nątrz podw yższa stopień bezpieczeństw a.

Rys. 1. T ransform ator o konstrukcji podstawowej bezrdzeniowy (KPB); a) widok z góry, b) przekrój poprzeczny A-A

Fig. 1. Coreless transform er o f basic design (KPB); a) top view, b) A-A crossection

Transform atory tego typu przeznaczone są do pracy przy wysokich częstotliwościach (powy­

żej 100 kHz). Transform atory o konstrukcji podstawowej wykonuje się na moce od 500 W do 200 kW. Sprawność transform atora jest w zakresie od 80% do 96% odpowiednio przy często­

tliw ościach 100 kH z oraz 1 M Hz, [G8], W pracy tej wykazano, że ze wzrostem częstotliwości pracy rośnie spraw ność, przy czym jej m aksim um w ystępuje w w ąskim obszarze zm ian rezy­

stancji obciążenia. W ym iary transform atorów o konstrukcji podstaw owej m ieszczą się w za­

kresach [LI]:

70 B.G rzesik, G.Om bach

• w ysokość od 40 m m do 330 mm,

• średnica zew nętrzna od 30 m m do 500 mm.

T ransform atory o konstrukcji podstaw owej charakteryzują się p rostą budow ą, co um ożliw ia zastosow anie autom atyzacji w trakcie produkcji i obniżenie kosztów.

T ransform atory tego ty p u słu ż ą do dopasow ania im pedancji obciążenia do źródła zasilają­

cego, np. w urządzeniach nagrzew ania indukcyjnego. N iekiedy transform atory te w ykorzystu­

je się do regulacji m ocy przekazyw anej do nagrzew anego przedm iotu w system ach nagrzew a­

nia indukcyjnego. U zw ojenie pierw otne w takim przypadku w ykonuje się ja k o ruchom e, przy czym przyłącza się go do w yjścia przekształtnika za pom ocą przew odów giętkich.

3.2. T ran sform ator (d ruk ow an y) bezrdzeniow y PC BB [H3], [H3], [A l], [M l]

T ransform ator PC B B je s t to transform ator bezrdzeniowy. Jego uzw ojenia w ykonane są w postaci obw odów drukow anych (rozw iązanie z rdzeniem oznacza się skrótem PCBR ). O m a­

w ia się dw a w arianty tego rozw iązania. R óżnią się one w spółczynnikiem sprzężenia uzwojeń.

W ażną z a le tą je s t m ożliw ość zintegrow ania transform atora z układam i elektronicznym i na jednej płycie drukow anej dw ustronnej - uzw ojenia rozłożone są po dw óch jej stronach.

U praszcza to technologię. U zw ojenia m o g ą m ieć różny kształt i być w zględem siebie usytu­

ow ane na różne sposoby. T ypow a przekładnia zw ojow a to 9 = 1/1. R ealizacja innych prze­

kładni m ożliw a je s t przez zw iększenie liczby w arstw , podobnie ja k w transform atorze planar­

nym - podrozdz. 4.4. M ożliw e je st łatw e dostosow anie grubości uzw ojeń stosow nie do po­

trzeb. N ajczęściej w ykonuje się uzw ojenia, których grubości są porów nyw alne z dw iem a głę­

bokościam i w nikania, co zapew nia m inim alne straty w uzw ojeniach (np. dla częstotliwości pracy f= lM H z przyjm uje się grubość uzw ojenia 0.2 mm).

B rak rdzenia m agnetycznego w ym usza pracę przy dość znacznych częstotliw ościach, się­

gających pow yżej 500 kHz. W literaturze na ogół prezentow ane są transform atory o niew iel­

kich m ocach, rzędu kilkunastu w atów. W ysokie częstotliw ości pracy i w łaściw e w ykonanie uzw ojeń zap ew n iają w y so k ą spraw ność transform atorów w zakresie od 80% do 99%. W yko­

rzystanie obw odów drukow anych przy produkcji uzw ojeń zapew nia transform atorom PCB niew ielkie w ym iary rzędu kilku m m , co um ożliw ia m iniaturyzację obw odów w urządzeniach energoelektronicznych. P rosta budow a i technologia nie w ym agająca ręcznego w ykonyw ania uzw ojeń pozw ala na p ełn ą autom atyzację procesu produkcyjnego, co prowadzi do obniżenia ceny. U zw ojenia o tej konstrukcji d ają m ożliw ość szybkiej kontroli ich jakości.

T ransform atory PC B B są szeroko w ykorzystyw ane w obw odach sterow ania bram ką tran­

zystorów M O S F E T lub IG B T w przekształtnikach energoelektronicznych, które w ym agają izolacji elektrycznej. M ożliw e je st osiągnięcie izolacji na poziom ie 15-40kV, która jest znacznie w yższa od typow ej izolacji elektrycznej układów optoizolatorów na poziom ie ok.

2.5kV.

Transform atory PC B B znajd u ją zastosow anie w przekształtnikach D C/D C. M ogą w wielu przypadkach zastąpić one transform atory rdzeniowe.

W ariant pierw szy transform atora PCBB , [H3], [H4], [A l] zilustrow ano na rys. 2. U zw oje­

nia (pierw otne i w tórne) rozm ieszczone są na oddzielnych stronach obw odu drukowanego.

Drugi w ariant transform atora PC B B (ang.: film transform er) [M l] ilustruje rys. 3. Jest to rozw iązanie o przekładni 9=10/10. U zw ojenia pierw otne i w tórne um ieszczone są pomiędzy sobą. K ażde z uzw ojeń złożone z dw óch części, z których każda znajduje się po przeciwnej stronie płyty obw odu drukow anego. Z apew nia to korzystniejszy w spółczynnik sprzężenia. Po przeciw nych stronach obw odu drukow anego znajduje się jed n a połów ka uzw ojenia pierw ot­

nego i je d n a uzw ojenia w tórnego.

Transform atory do przekształcania... 71

Rys. 2. T ransform ator drukow any bezrdzeniowy (PCBB) - wariant 1; a) uzwojenia kw adratow e, b) uzw ojenia okrągłe

Fig. 2. F irst variant o f coreless PCB transform er (PCBB); a) square windigs, b) circular w indings

Rys. 3. T ransform ator drukowany bezrdzeniowy (PCBB) - wariant 2. (z dzielonymi uzw ojeniam i)

Fig. 3. Second variant o f coreless PCB transform er (PCBB) (with splited windings)

72 B.G rzesik, G.O m bach 3.3. T ran sform ator sk rętk ow y K S(B ) [H I], [FI]

Jest to transform ator bezrdzeniow y o szczególnej konstrukcji uzw ojeń - rys. 4. U zw ojenia w ykonane są z przew odów o przekroju kołow ym , które są w odpow iedni sposób skręcone.

Istotę konstrukcji w yjaśnia rys. 4, który sporządzony został dla transform atora o przekładni zw ojow ej fł= 2 /l. M ożliw e je s t uzyskanie innych w artości przekładni przez odpow iednie zw iększenie liczby skręconych przew odów oraz w łaściw e połączenie ich końców .

a ) b)

Rys. 4. T ransform ator skrętkow y (KS(B)); a) w idok transform atora, b) sposób rozłożenia przew odów uzw ojenia

Fig. 4. C oreless stranded transform er (KS(B)); a) overall view, b) layout o f w indigs’ wires

A naliza i pom iary [H I], [F I] wykazały, że ten rodzaj transform atora m a dobre właściwości przy częstotliw ościach pow yżej 100 kH z do 10 M Hz. Podobnie ja k w pozostałych rozw iąza­

niach transform atora bezrdzeniow ego je g o spraw ność rośnie w raz ze w zrostem częstotliw ości pracy (ocenia się, że w tym przypadku m ieści się ona w zakresie 60% do 95%).

P rosta budow a transform atora oznacza niski koszt takiego transform atora.

P race [H I], [F I] u jm u ją w yniki badań transform atora o średnicy 50 m m w raz ze w skaza­

niem zastosow ania do sterow ania tranzystorów M OSFET.

4. T R A N SF O R M A T O R Y R D Z E N IO W E

T ransform atory rdzeniow e stanow ią drugą grupę transform atorów w ysokiej częstotliw ości stosow aną w energoelektronice. M agnetow ody tych transform atorów przy częstotliw ościach do kilku M H z zbudow ane są z m ateriałów ferrytowych. Zaprezentow ane poniżej transform a­

tory rdzeniow e s ą reprezentatyw ne dla tej klasy, do której zalicza się: konstrukcję podstaw o­

w ą (K PR), w sp ó ło sio w ą (koaksjalną) (K W R ), płaską (KPłR ), planarną (KP1R) oraz PCBR.

(O statnia konstrukcja je st podobna do bezrdzeniowej [T l]).

4.1. T ran sform ator o k onstrukcji podstaw ow ej z rdzeniem KPR [G3], [G4], [PI]

T ransform atory o konstrukcji podstaw ow ej posiadają obw ód m agnetyczny w ykonany z ferrytu. W transform atorach tych m ożliw e je st w ykorzystanie obw odów m agnetycznych o

T ransform atory do przekształcania.. 73

zróżnicow anych kształtach, np. E, EC, EFD, EP, ER, P, ETD. [K I], [K2], [K3], [K4], [K5], [K6], [K7], [K8], [K9], [KIO]. U zw ojenia transformatora m ogą być wykonane z przewodu typu lica lub z rurki m iedzianej. U zw ojenia naw inięte są w spółosiowo na karkasie - rys 5.

M ogą one być ułożone na w iele różnych sposobów. N iektóre sposoby zostały przedstawione w pracach [G3], [G4] i [P I]. N ajczęściej m ożna spotkać się z uzw ojeniem naw iniętym spiral­

nie - rys. 5.a lub z uzw ojeniem planarnym rys. 5.b. W drugim rozw iązaniu transform ator po­

siada zredukow aną w ysokość. Transform atory o konstrukcji podstaw ow ej m ogą mieć różne przekładnie zw ojow e tJ. T ransform ator na rys. 5.a m a przekładnię zw ojow ą t>=8/ 1, natomiast transform ator z rys. 5.b m a przekładnię •0=4/1. W ykonanie transform atorów o większej niż 1 liczbie zw ojów uzw ojenia w tórnego je st utrudnione ze w zględu na połączenia poszczególnych zw ojów . M ożliw e je s t w ykonanie uzw ojenia w tórnego jako w arstw ow ego i połączenie po­

szczególnych zw ojów uzw ojenia w tórnego na ich czołach.

Rys. 5. T ransform ator rdzeniow y o konstrukcji podstawowej (KPR), z rdzeniem P, a) z uzw o­

jen iem pierw otnym spiralnym , b) z uzw ojeniem planarnym

Fig. 5. Core transform er - basie design (KPR), with P-type o f ferrite core; a) spiral primary w inding, b) planar windigs

Transform atory podstaw ow e z rdzeniem są wykorzystywane w szerokim zakresie często­

tliwości pracy od kH z do M Hz. Przy częstotliw ościach wyższych stosuje się rdzenie wykona­

ne z m ateriałów o korzystniejszych w łaściw ościach (ograniczenia strat histerezowych i prą­

dów wirowych). U zyskuje się przy tym spraw ności z zakresu od 80 do 99.5%. M oc transfor­

m atorów je s t uzależniona od w ielkości zastosow anego rdzenia i dla pojedynczego transform a­

tora są to m oce z zakresu ok. kilku w atów do dziesiątek kilowatów. K onstrukcja podstawowa m oże być zrealizow ana na dw a zasadnicze sposoby. Pierw szy to stosow anie rdzenia o odpo­

w iednich w ym iarach. D rugim sposobem je st konstrukcja rozłożona, która polega na połącze­

niu rów noległym /szeregow ym transform atorów o mniejszej mocy.

W ym iary transform atora i je g o cała konstrukcja w yznaczone są poprzez wym iary rdzeni.

G abaryty rdzeni ferrytow ych m ieszczą się w granicach kilku mm do 100 mm. W ykonanie transform atorów m oże być zautom atyzowane.

Transform atory o konstrukcji podstaw owej są pow szechnie w ykorzystywane w energoelek­

tronice. P ełnią role elem entu dopasow ującego i izolującego.

4.2. T ran sform ator w sp ółosiow y (koaksjalny) rdzeniow y K W B [R I], [L2], [G l], [G2]

24_________________________________________________________________B .G rzesik, G.Ombach

T ransform ator w spółosiow y - koaksjalny posiada obw ód magnetyczny w ykonany z kształ­

tek rdzeni U lub z rdzeni o kształcie toroidalnym [K I], [K2], [K3], [K4], [K5], [K6], [K7], [K8], [K9], [KIO], R ysunek 6 przedstaw ia przykład transform atora w spółosiow ego z rdze­

niem w ykonanym z kształtek toroidalnych, o przekładni zwojow ej 0=7/1.

Rys. 6 . T ransform ator w spółosiow y rdzeniow y (KW R), z kształtkam i toroidalnymi a) w idok z góry, b) przekrój poprzeczny

Fig. 6. Core coaxil transform er (KW R), based on toroidal cores; a) top view, b) transverse crossection

T ransform ator w spółosiow y z rdzeniem m oże pracow ać w zakresie częstotliw ości od 50 kH z do kilku M H z. T ransform atory tego typu są budow ane na w zględnie w ysokie moce, od dziesiątków do setek kilow atów . Ponadto spraw ności tak w ykonanych transform atorów są wysokie (od 96 do 99.6% ). Transform atory przeznaczone do pracy przy m ocach rzędu setek kilow atów p rac u ją przy intensyw nym chłodzeniu, na ogół cieczow ym , gdzie np. cała kon­

strukcja zanurzona je st w oleju. Przykładow e wym iary transform atora w spółosiow ego, o m o­

cy 240kW i częstotliw ości 200kH z, to: długość 300 m m i szerokość 130 m m [G l]. U zw ojenia transform atora m u sz ą być w ykonyw ane ręcznie ze w zględu na sposób ich naw inięcia (uzw o­

je n ie pierw otne w platane do w nętrza uzw ojenia w tórnego), co znacznie podw yższa koszty transform atora.

T ransform atory w spółosiow e są stosowane w system ach nagrzew ania indukcyjnego dużych m ocy [G l]. T ransform ator ten charakteryzow ał się przekładnią zw ojow ą 0=4/1 i wysoką spraw nością 96% .

Transform atory do przekształcania. 75

4.3. T ransform ator plaski rdzeniow y KPłR, (ang. fiat), [SI], [T2], [In 1 ]

Transform atory płaskie są stosunkow o nowym typem transform atorów rdzeniowych. Prace nad nim i zostały rozpoczęte w 1987 roku przez J.Ley i K. Sum. N ow a technologia stanow iła w ów czas przełom . P ozw oliła na pow ażne zredukowanie kosztu transform atora, niem al o 50%. O becnie istnieje korporacja zajm ująca się badaniam i i produkcją transform atorów pła­

skich - Flat Transform ers Technology [In 1]. Transform atory płaskie wykonuje się jako poje­

dyncze bloki składające się z rdzenia w kształcie kostki sześciennej o wym iarach 10/10/14 m m oraz z uzw ojenia w tórnego um ieszczonego w ew nątrz rdzenia - rys. 7 .a. Zastosowanie unikalnej geom etrii rdzenia spow odow ało znaczne obniżenie strat w rdzeniu oraz um ożliw iło intensyw niejsze odprow adzenie ciepła do otoczenia przy chłodzeniu naturalnym. Uzwojenie w tórne je st w ykonane z posrebrzanych kształtek m iedzianych o grubości 0.15 mm (odpowia­

da to dw óm głębokościom w nikania pola przy ok. 1MHz). Tak uform ow ane kształtki um oż­

liw iają łatw e łączenie pojedynczych m odułów transform atorów. Sposób połączenia wynika z wymaganej przekładni zwojowej i m ocy wyjściowej transform atora. Po połączeniu modułów wciągane je s t następnie uzw ojenie pierw otne w ykonane z pojedynczego drutu miedzianego lub licy, rys. 7.b. Rysunek przedstaw ia transform ator płaski złożony z trzech m odułów o przekładni zw ojow ej O = 1/ 1.

Rys. 7. Transform ator płaski rdzeniow y (KPłR); a) w idok jednego m odułu, b) w idok trzech m odułów w raz z uzw ojeniem pierwotnym

Fig. 7. Core fiat transform er (KPłR); a) single m odule, b) exam ple transform er with three m odules together with primary winding

Transform atory te pracują przy wysokich częstotliw ościach rzędu M H z, osiągając spraw­

ność od 90 do 96% przy m ocach od 100 do 1000 W. K onstrukcja uzw ojenia w tórnego jest skom plikow ana, co utrudnia w prow adzenie automatyzacji w procesie produkcyjnym .

Transform atory te zostały zaprojektow ane do przekształtników energoelektronicznych push-pull D C -D C - poniew aż posiadają one dzielone uzw ojenie wtórne.

4.4. T ransform ator planarny KP1R (ang. planar) [A2], [T l], [H2], [L2]

T ransform atory o konstrukcji planarnej b az u ją na now oczesnych technologiach i m ateriałach, co um o żliw ia redukcję ich m asy i w ym iarów. M ają one w iele zalet, takich jak niskie profile, m ała waga, w ysoka sprawność w szerokim zakresie częstotliw ości oraz wysoka

76 B .G rzesik, G.Ombach gęstość objętościow a mocy. O bw ód m agnetyczny transform atora planarnego w ykonany jest najczęściej z niskich profili E. Szczególny kształt uzw ojeń, wykonanych z cienkiej blachy, zapew nia dobre sprzężenie pom iędzy uzw ojeniam i kosztem znacznych pojem ności między- uzw ojeniow ej i u zw ojenia pierw otnego. U zw ojenia transform atora w ykonuje się jako druko­

w ane na płytkach lam inatow ych (PC B) lub z cienkich posrebrzanych blaszek m iedzianych w celu obniżenia strat przy w yższych częstotliw ościach. Obecnie na rynku istnieje kilka firm zajm ujących się badaniam i i seryjną produkcją transform atorów planarnych, np. M ultisource T echnology [L2], Payton G roup [K14], [In2]. Rysunek 8.a przedstaw ia widok ogólny trans­

form atora planarnego o przekładni zw ojow ej -0=2/ 1, natom iast rys. 8.b widok poszczególnych jego części.

Rys. 8 .Transform ator planarny rdzeniow y (KP1R); a) widok ogólny transform atora planarne­

go, b) w idok poszczególnych części transform atora

Fig. 8 . C ore planar transform er (KP1R); a) general view, b) details o f the thransform er (uzw.

Pierw - prim ary, uzw. w tórne - secondary)

T ran sfo rm ato ry p lan arn e s ą w ykonyw ane na w iele m ocy od 5W do 20 kW i m o g ą pra­

cow ać w szerokim zak resie częstotliw ości od 50 kH z do 1 M H z, uzyskując w ysokie spraw ­ ności z zak resu 98 do 99.8% . D uże spraw ności s ą w ynikiem m ałych strat zarów no w uzw o­

jen iach , ja k i w rd ze n iu transform atora. U m ożliw ia to zaniechanie chłodzenia w odnego i zastosow anie tylko w dużych transform atorach, tj. pow yżej 5kW radiatorów pow ietrznych zam ontow anych na rdzeniu transform atora. W ten sposób chłodzone transform atory m ają u sta lo n ą te m p eratu rę p rac y n a p oziom ie 90°C. W m iarę p rosta k onstrukcja transform atora zapew nia m o ż liw o ść autom atyzacji procesu produkcyjnego, co znacznie obniża koszt poje­

dynczych egzem plarzy. Z autom atyzow ana linia produkcyjna została przedstaw iona w m ate­

riałach firm ow ych firm y Payton G roup [ K I4].

T ran sfo rm ato ry planarne są w ykorzystyw ane w energoelektronice coraz chętniej i p ow szechniej z następ u jący ch w zględów . S ą one zestandaryzow ane i m o g ą być traktow a­

ne ja k o elem en t konstrukcyjny. P o siad a ją m ałe gabaryty, porów nyw alne z gabarytam i ele­

m entów elektronicznych. P o nadto istn ieje m ożliw ość w ykorzystania ich pojem ności paso­

żytniczych w p rze k sz ta łtn ik a c h rezonansow ych pracujących przy w ysokiej częstotliw ości.

T ransform atory do przekształcania.. 77

5. P O D SU M O W A N IE I W NIO SK I

1. N iniejsza praca je s t pierw szym etapem analizy porównawczej, transform atorów energo- elektronicznych w ysokiej częstotliw ości pracujących w zakresie 100 kH z do kilkunastu MHz.

2. O pisane konstrukcje transform atorów są reprezentatyw ne dla w spółczesnych tendencji.

O m ów iono dw a zasadnicze rodzaje transform atorów : bezrdzeniowe (powietrzne) oraz rdze­

niow e (z obw odem m agnetycznym ferrytowym ).

3. W zrost częstotliw ości pracy, pow yżej około 500kHz, um ożliw ia stosow anie transform a­

torów bezrdzeniow ych, których spraw ność sięga powyżej 90% i je st porów nyw alna ze spraw­

no śc ią transform atorów rdzeniow ych ferrytow ych.. C zęstotliw ość 1MHz m ożna uznać za gra­

nicę pom iędzy transform atoram i bezrdzeniow ym i i rdzeniow ym i.

4. S ystem atyczna analiza stanu aktualnego konstrukcji transform atorów w ysokiej często­

tliwości w ym aga uw zględnienia takich czynników , ja k spraw ność, m asow a gęstość mocy (W /g), objętościow a gęstość m ocy (W /m 3), nierów nom iem ość rozkładu tem peratury, techno- logiczność itp.

5. D ążenie konstruktorów do uzyskania w ysokiego sprzężenia pom iędzy uzwojeniam i daje w w yniku w yższe pojem ności pasożytnicze, które m ożna w ykorzystać w przekształtnikach jako elem ent obw odu rezonansow ego.

6 . Pew nym m ankam entem transform atorów bezrdzeniowych je st ich pole rozproszenia, które należy uw zględniać przy analizie w arunków bezpieczeństw a obsługi.

7. S ystem atyczna analiza w ym aga zastosow ania obliczeń bazujących na m etodach poło­

wy ch z w ykorzystaniem obliczeń sprzężonych.

8. N ie w szystkie problem y w zakresie transform atorów wysokiej częstotliwości nie zostały rozw iązane, szczególnie te zw iązane z w ykorzystyw anym i m ateriałam i oraz z konstrukcjami rozłożonym i, przykładem których m oże być transform ator płaski.

Praca została w ykonana w ram ach projektu badaw czego K BN 8 T10A 058 14,

LITER A TU R A

A l. A lbertz D., H enneberger G.: Calculation o f 3D Eddy C urrent Fields using both Electric a n d M agnetic Vector P otential in C onducting Regions, IEEE Transactions On M agnet­

ics, V ol. 34. N o. 5. Septem ber 1998. pp. 2644-2647.

A2. A rshak K .I., M ukhtar B. Al.: D evelopm ent o f the film p la n a r transform er based on a novel com posite o f B i2 0 y -F e 2 0 j-S iO x , INT. J. Electronics 1997, V ol.83 N o.6, pp.793- 804.

F I. F aiz J„ A bed-A shtiani B., Byat M. R.: L um ped Complete Equivalent C ircuit o f a Core- less H igh-Frequency Transformer, IEEE Transactions On M agnetics, Vol. 33. No. 1.

January 1997. pp. 703-707.

G l. G illot M., N uns J.: Im pedance A dapter Transformer - 300KHz/2M VA For Induction H eating G enerators, E P E ’97 Trondheim , Septem ber 1997. pp. 1.061-1.065.

G2. G illot M ., N uns J., Bausiere R„ Pirou F„ Boige R.: High Frequency a n d H igh Power adapter transform er f o r Induction H eating Converters, EDF Electrical De France 1998.

G3. G oldberg A. F., K assakian J. G., Schlecht M. F.: Issues R elated To I-10-M hz Trans­

fo r m e r Design, IEEE Transactions O n Pow er Electronics, Vol. 4. No. 1. January 1989.

p p .113-123.

G 4 . G oldberg A. F ., K assakian J. G., Schlecht M. F.: Finite E lem ent A nalysis o f Copper L oss in 1-10-M H z Transformers, IEEE Transactions O n Pow er E lectronics, Vol. 4. No.

2. January 1989. pp. 157-167.

G5. G rzesik B .„ O m bach G.: T ransform ator p ow ietrzny - w yniki badań za pom ocą p ro g ra m u A N SYS, II K onferencja N ow oczesne U rządzenia Elektroterm iczne w M etalurgii, M iędzybrodzie Ż yw ieckie 19-21 listopad 1998.ss. 43-51.

G6 . G rzesik B .„ O m bach G.: W ybrane charakterystyki i param etry transform atora p o ­ w ietrznego obliczone m etodą elem entów skończonych. Podstaw ow e Problem y Energo­

elektroniki i E lektrotechniki P P E E ’99- W isła M arzec 1999, m ateriały konferencyj­

ne,ss.73-79.

G7. G rzesik B .„ O m bach G. Features o f the coreless transform er- calculated by AN SYS®

software. ED PE 99. 5-7 O ctober, pp. 353-357.

G8. G rzesik B .„ G. O m bach G.: W pływ częstotliw ości na m oc transform atora pow ietrznego w ysokiej częstotliw ości, Z eszyty N aukow e Politechniki Śląskiej, seria E L EK TR Y K A z.

160, 1998, ss.9 1 -103.

G9. G rzesik B ., O m bach G.: Experience gath ered fr o m the use o f A nsys® f o r analysis o f H F coreless transform er. A nsys Users M eeting’99, Sonthofen-N iem cy, 6-8 October, pp.

I I .1.5

H I. H ayano S., N akajim a Y., Saotom e H., Saito Y.: A N ew Type O f H igh F requency Trans­

fo rm er, IEE E T ransactions O n M agnetics, Vol. 27. No. 6. N ovem ber 1991. pp .5205- 5207.

H2. H ess J: P lanar inductive com ponents o f m ultiplayer design, A polications Ferrites No. 1 . 1996, pp. 28-30.

H3. H uy S. Y., T ang S. C.,. C hung H.: Coreless p rin te d circuit board(PCB) transform ers f o r p o w e r M O S F E T /IG B T gate driver Circuit, IEEE Transactions On Pow er Electron­

ics, V ol. 14. N o. 3. M ay 1999, pp.422-430.

H4. H uy S. Y., T ang S. C.,. C hung H.: C oreless printed-circuit board transform ers f o r sig ­ n al a n d energy transfer, Electronics Letters, Vol. 34. No. 11. M ay 1998, pp. 1052-1054.

L I. Lee R., W ilson L., C arter C.E.: Electronics Transform ers A n d Circuits, John W iley &

Sons, E ngland, ISB N 0 471 81976-X, 1988.

L2. Lenny Ch. M .: The best 14 k W transform er construction: PCIM ’97, International C on­

ference and E xhibition, P ow er Electronics D rives M otion Control, 10-12 June ’97. pp.

377-384.

M l. M idorikaw a Y ., S. H ayano, Y. Saito: Im provem ent o ffilm transform er characteristics, IEEE T ransaction O n M agnetics, Vol. 31. No. 6. N ovem ber 1995.

P L Prieto R., C obos J.A ., G arcia O.: O ptim izing the w inding strategy o f the transform er in a fly b a c k converter, IEEE Journal July 1996. pp. 1456-1462.

R l. R auls M ., N o v o tn y D., D ivan D.: D esign Consideration f o r H igh-Frequency C oaxial W inding P ow er Transform ers. IEEE Trans, on Industry A pplication, V ol.29, N o.2, M arch/A pril 1993, pp.375-381.

R2. R yżko S., E bert ¡..W zm acniacze rezonansow e i generatory m ocy w ielkiej częstotliwości.

W ydaw nictw o N aukow o - Techniczne NT, W arszaw a 1971.

S I . Sum K. K ., L au J. L.: Techniques f o r O vercom ing Leakage Inductance a n d H eat D issi­

p a tio n In H igh F requency Transform er D esign In T oday's P ow er Converters, Internet:

\v w w .tlattransform er.com , June 1999.

T l. T abaga S., P ierrat L.: P aram eter com putation o f a p la n a r transform er by 3D fin ite ele­

m ent m ethod, E P E ’ S evilla 1995, pp. 1.273-1.276.

78_________________________________________________________________B.G rzesik, G.O m bach

Transform atory do przekształcania.. 79

T2. Ttevor H olm es D. and K. K it Sum: F lat Transform er f o r L ow Voltage, H igh Current, H igh F requency p o w e r Converters, Pow er system s W orld '96, Las Vegas, N evada, Sep­

tem ber 1996.

Z l. Z agajew ski T., M alzacher S., Kw ieciński A.: Elektronika przem ysłow a, W ydawnictwo N aukow o - T echniczne N T, W arszaw a 1972.

[K I]. M agnetic Products, D ata H andbook MA01. Philips 1998.

[K2]. Product Selection G uide, Philips 1997.

[K3], Ferrites and A ccessories - Siem ens M atsushita C om ponents 1998.

[K4], Ferrites and A ccessories, Siem ens M atsushita Com ponents - katalog 1994.

[K5]. Soft Ferrites. Thom son-C SF, June 1993.

[K6]. Ferrite Cores, M agnetics, USA, 1994.

[K7], A m idon, INC. M agnetics & Ferrom agnetics M aterials, 1995.

[K8]. A m erican Cores & Electronics, 1998.

[K9]. A m erican C ores & Electronics, Iron Pow der Cores For Pow er C onversion, 1998.

[K10], C eram ic M agnetics, INC. 1998.

[K14], M ateriały firm y PAY TO N G RO U P 1999.

[ I n i]. Flat transform er: w w w.t1attransform er.com .

[In2]. Payton Group: w w w .interage.co .il:80/payton/index.htm .

R e c e n z e n t: Prof. dr hab. inż.Tadeusz G linka

W płynęło do R edakcji dnia 3 lipca 2000 r.

A bstract

P resentation o f selected designs o f high frequency transform ers for appliances in power electronics, operating in the range o f frequency 100kHz to several M H z is the aim o f the pa­

per.

There are classification, description o f design and applications o f the transform ers given in the paper. Tw o basic classes o f transform ers are taken into consideration. The coreless ones form the first class. The transform ers w ith ferrom agnetic cores (ferrite) form s the second class - coreless one. The deepper classification is based on the way the w indigs are constructed.

The discussed transform ers are the ones that are representative for the classes they belong to.

The folow ing transform er have been described in the paper:

1) coreless transform er o f basic design (K PB ) - fig. 1,

2) and 3) tw o varints o f coreless PCB transform er (PCBB), fig. 2 and 3., respectively, 4) depicted in fig. 4 coreless transform er w ith stranded w indings (KS(B)),

5) basic design o f core transform er (KPR) based on P-type ferrite core - fig. 5,

6) core coaxilal transform er (KW R), based on toroidal cores - fig. 6, 7) core flat transform er (KP1R) - fig. 7,

8) core planar transform er (KP1R) - fig. 8.

T he conclusions o f the paper are as follows:

• C oreless transform er can be used at frequencies above 500kH z, w here the efficiency is usually higher than 90% . 1M Hz can be taken as a boundary for core transform ers assum ing it is constructed basing on cntem porary avaliable materials.

• The sim plified analysys that has been done allow s one to select tw o design as a best one from the point o f view o f efficiency and coupling coefficient. They are, first is coaxial design and flat is the second one. A lthough only core solutions are know n up to the present it seems that coreless solutions o f that type w ill exhibit near the sam e features, particulary at frequen­

cies above 1 MHz.

• A com prehensive com parative analysis o f different types o f transform er design needs the quantities such as efficiency, W /g ratio, W /m3 - ratio, distribution o f hot spots, m agnetic field distribution outside transform er (particularly for coreless one), technology o f fabrication etc., should be taken into consideration. The presented overw iew only sim plified one being the first step tow ards S ystem atic and thorough com parative analysis.

• Such analysis o f th e transform er should be based on coupled field analysis.

80_________________________________________________________________B.G rzesik, G.Om bach