Im wyższa częstotliwość przełączania transformatora, tym mniejsza jego objętość. Czy to oznacza, że nie ma górnej granicy częstotliwości przełączania? Czy zatem objętość może być bardzo mała?
Odpowiedź brzmi: przecząco. W rzeczywistym procesie roboczym częstotliwość transformatorów wysokoczęstotliwościowych jest determinowana przez wiele czynników i można ją podzielić na kilka aspektów:
1. Topologia obwodu (topologia flyback): Transformatory pełnią funkcje magazynowania i przetwarzania energii, z powszechnie stosowaną częstotliwością roboczą 40–100 kHz. Przy częstotliwości poniżej 40 kHz objętość rdzenia żelaznego jest zbyt duża, co powoduje zwiększenie objętości zasilania. Przy częstotliwości powyżej 100 kHz skoki napięcia spowodowane indukcyjnością upływu mogą uszkodzić tranzystor przełączający.
Topologia forward: Typowy zakres częstotliwości wynosi 60–150 kHz, ale wymaga zrównoważenia strat rdzenia magnetycznego i strat przełączania. Topologia push-pull/półmostek/pełny mostek: Symetryczny, dwukierunkowy, namagnesowany rdzeń magnetyczny sterowany przełącznikiem, wyższa wydajność, obsługuje wyższe częstotliwości od setek kHz do MHz, ale wymaga bardziej złożonej konstrukcji sterowania i rozpraszania ciepła.
2. Charakterystyka materiałów rdzeni magnetycznych obejmuje straty histerezowe i straty wiroprądowe. W pewnym zakresie straty w rdzeniu magnetycznym rosną wraz ze wzrostem częstotliwości. Dlatego różne materiały rdzeni magnetycznych powinny mieć różne zakresy częstotliwości, aby zapewnić stosunkowo niskie straty w rdzeniu magnetycznym. Na przykład ferryt manganowo-cynkowy nadaje się do stosowania w zakresie częstotliwości od 10 do 300 kHz, natomiast ferryt niklowo-cynkowy – do stosowania w zakresie częstotliwości powyżej 1 MHz.
Po drugie, wraz ze wzrostem częstotliwości, maksymalne natężenie indukcji magnetycznej musi zostać zmniejszone, aby uniknąć nasycenia rdzenia magnetycznego. Na przykład, natężenie indukcji magnetycznej DMR40 wynosi 0,38 T, a projektując dla częstotliwości 100 kHz, zazwyczaj przyjmujemy wartość około 0,2 T.
3. Szybkość przełączania elementów mocy. Tranzystor MOS należy do układów unipolarnych, z czasem włączania i wyłączania w nanosekundach. Teoretyczna częstotliwość robocza może sięgać MHz, a rzeczywista maksymalna częstotliwość robocza wynosi kilkaset kHz. Tranzystor IGBT należy do układów bipolarnych, charakteryzujących się stosunkowo długim czasem wyłączania i maksymalną częstotliwością roboczą zazwyczaj między 40 a 50 kHz.
4. Wzrost sprawności i częstotliwości rozpraszania ciepła prowadzi do wzrostu strat w przełącznikach i napędach, co skutkuje spadkiem ogólnej sprawności i wzrostem generowania ciepła. Aby zapewnić, że temperatura produktu mieści się w normie, potrzebujemy więcej środków ograniczających rozpraszanie ciepła.
5. Przy wysokich częstotliwościach koszty rosną ze względu na zwiększone straty przełączania, co wymaga stosowania większej liczby rozwiązań do odprowadzania ciepła, co prowadzi do wzrostu kosztów. Po drugie, kondensatory i cewki indukcyjne często ulegają pogorszeniu przy wysokich częstotliwościach, dlatego konieczne jest dobranie urządzeń odpowiednich do wyższych częstotliwości, co zwiększa koszty. W praktyce koszty są ograniczone, co często determinuje górną granicę częstotliwości roboczej.
6. Charakterystyka układu scalonego: Układy sterowania PWM często mają wymagania dotyczące górnej granicy częstotliwości, aby reagować na dynamiczne zmiany obciążenia. Określa to również, że częstotliwość przełączania transformatora mieści się w określonym zakresie.
Czas publikacji: 06-08-2025
