Como a frequência de comutação afeta o desempenho do transformador de alta frequência

A frequência de chaveamento é um dos parâmetros mais importantes no projeto de transformadores de alta frequência. Afeta o núcleo magnético, o número de voltas, a densidade de potência, a perda do núcleo, a perda do enrolamento, o aumento da temperatura e o tamanho geral do transformador.

Aumentar a frequência de chaveamento pode ajudar a reduzir o tamanho do transformador, mas uma frequência mais alta não significa automaticamente melhor desempenho do transformador. À medida que a frequência aumenta, as perdas no núcleo e no enrolamento também podem se tornar mais difíceis de controlar.

Para fabricantes de fontes de alimentação chaveadas e engenheiros OEM, a chave é encontrar uma frequência operacional adequada, mantendo o transformador dentro de seus limites elétricos, térmicos e mecânicos.

1. Por que a mudança de frequência é importante

Um transformador de alta frequência opera de acordo com a mudança do fluxo magnético gerado pela forma de onda de comutação.

Para uma determinada tensão e área de seção-transversal do núcleo, aumentar a frequência de comutação permite que a mudança de fluxo magnético necessária ocorra com mais frequência. Isso pode reduzir o número de voltas necessárias para um projeto específico de transformador e potencialmente permitir um núcleo magnético menor.

Esta é uma das razões pelas quais os transformadores de alta frequência são amplamente utilizados em fontes de alimentação chaveadas compactas.

Contudo, a frequência também afeta vários mecanismos de perda. À medida que a frequência de chaveamento aumenta, o projetista deve prestar mais atenção a:

• Perda central
• Perda de cobre
• Efeito de pele
• Efeito de proximidade
• Indutância de vazamento
• Capacitância parasita
• Aumento de temperatura
• EMI

Portanto, a frequência de chaveamento deve ser tratada como um parâmetro de projeto do núcleo do transformador, e não simplesmente como uma forma de reduzir o tamanho do componente.

2. Frequência mais alta pode reduzir o tamanho do transformador

Uma das principais vantagens de aumentar a frequência de comutação é o potencial para maior densidade de potência.

Em uma frequência mais alta, o núcleo magnético pode processar energia com mais frequência. Sob condições operacionais adequadas, isso permite que o transformador atinja a transferência de potência necessária usando uma estrutura magnética menor.

Para os fabricantes de equipamentos, isso pode ajudar a reduzir:

• Volume do transformador
• Área de PCB
• Peso do equipamento
• Tamanho geral da fonte de alimentação

Isto é particularmente útil para compactos:

• Trocando fontes de alimentação
• Conversores CC-CC
• Carregadores de bateria
• Equipamento de carregamento de veículos elétricos
• Eletrônica de energia solar
• Sistemas de armazenamento de energia
• Equipamento de controle industrial

Contudo, a redução do tamanho do transformador não deve ser o único objetivo do projeto. Um núcleo menor pode ter menos área de superfície térmica, enquanto uma frequência mais alta pode aumentar as perdas magnéticas e de enrolamento.

O projeto final, portanto, requer um equilíbrio entre tamanho, eficiência, densidade de potência e aumento de temperatura.

3. A frequência de comutação afeta o número de voltas

A frequência está diretamente relacionada ao número de voltas necessárias no enrolamento do transformador.

Quando a frequência de operação aumenta, o número necessário de voltas geralmente pode ser reduzido para as mesmas condições de tensão e fluxo magnético.

Isso pode fornecer vários benefícios potenciais:

• Área de enrolamento menor
• Comprimento de condutor mais curto
• Tamanho reduzido do transformador
• Maior densidade de potência

Mas reduzir as voltas não significa que o projeto do enrolamento se torne automaticamente mais simples.

O fabricante ainda precisa considerar:

• Densidade máxima de fluxo
• Material principal
• Faixa de tensão de entrada
• Ciclo de trabalho
• Forma de onda
• Requisitos de isolamento
• Densidade atual

Portanto, não se deve presumir que um transformador projetado para uma frequência de chaveamento funcione corretamente em outra frequência, simplesmente porque as tensões de entrada e saída permanecem inalteradas.

4. Frequência mais alta aumenta a perda do núcleo

Uma das principais limitações do aumento da frequência de comutação é a perda do núcleo.

Materiais magnéticos têm perdas-dependentes de frequência. À medida que a frequência de comutação aumenta, o núcleo magnético pode dissipar mais energia na forma de calor, dependendo do material do núcleo, da densidade do fluxo, da forma de onda e da temperatura operacional.

A perda central é influenciada por:

• Frequência de comutação
• Densidade de fluxo
• Material principal
• Temperatura operacional
• Forma de onda magnética

Isto significa que um material de núcleo adequado para uma faixa de frequência pode não fornecer o mesmo desempenho em uma frequência substancialmente mais alta.

Ao desenvolver um transformador de alta frequência, a seleção do núcleo deve, portanto, basear-se na frequência operacional real e nas condições de fluxo magnético, e não apenas no tamanho físico do núcleo.

5. A perda no enrolamento torna-se mais importante em frequências mais altas

Uma frequência de chaveamento mais alta também afeta os enrolamentos do transformador.

Em altas frequências, a corrente não se distribui uniformemente por todo o condutor. O efeito pelicular faz com que a corrente se concentre na região externa do condutor, aumentando a resistência CA efetiva.

O efeito de proximidade também pode aumentar a resistência CA porque os campos magnéticos gerados por condutores próximos afetam a distribuição da corrente.

Como resultado, simplesmente aumentar o diâmetro do fio nem sempre pode resolver o problema.

Dependendo do projeto, o enrolamento pode exigir uma consideração cuidadosa de:

• Diâmetro do condutor
• Número de condutores paralelos
• Arranjo de enrolamento
• Espaçamento entre condutores
• Densidade atual
• Camadas de enrolamento
• Frequência operacional

Para aplicações-de frequência mais alta, a estrutura do enrolamento pode ter uma influência significativa na eficiência do transformador e no aumento da temperatura.

6. A indutância de vazamento pode afetar o desempenho da comutação

A frequência de chaveamento não atua independentemente da indutância de fuga do transformador.

A indutância de fuga representa a porção do fluxo magnético que não liga efetivamente os enrolamentos relevantes. Em conversores de comutação, a indutância de fuga excessiva pode contribuir para picos de tensão e perdas de comutação.

Sua influência torna-se particularmente importante quando o conversor opera em altas velocidades de comutação.

Os fabricantes de transformadores podem, portanto, ajustar a estrutura do enrolamento para controlar:

• Acoplamento primário-secundário
• Indutância de vazamento
• Capacitância parasita
• Arranjo de enrolamento

Dependendo da topologia do conversor, um valor específico de indutância de fuga pode até fazer parte da especificação necessária do transformador.

É por isso que um transformador de alta frequência deve ser projetado junto com seu circuito de comutação, em vez de ser tratado como um componente isolado.

7. A capacitância parasita também é importante

Os enrolamentos de um transformador criam naturalmente capacitância parasita entre os condutores e entre os lados primário e secundário.

Em frequências de comutação mais altas, esses efeitos parasitas tornam-se cada vez mais relevantes para o comportamento do circuito.

A capacitância parasita excessiva pode influenciar:

• Ruído de modo-comum
• EMI
• Alternando formas de onda
• Caminhos de corrente-de alta frequência
• Desempenho de isolamento

O arranjo físico dos enrolamentos, materiais de isolamento, espaçamento e estrutura do núcleo podem influenciar a capacitância parasita.

Portanto, o aumento da frequência de comutação pode exigir uma estrutura de enrolamento diferente, mesmo quando os requisitos básicos de tensão e potência permanecem inalterados.

8. O aumento da temperatura é o limite prático

Para muitos projetos de transformadores de alta frequência, o desempenho térmico determina, em última análise, até que ponto a frequência de chaveamento pode ser aumentada.

O aumento da temperatura do transformador é afetado tanto pela perda do núcleo quanto pela perda do enrolamento.

Em frequências mais altas, se essas perdas aumentarem mais rapidamente do que a capacidade de resfriamento do transformador, o aumento da temperatura pode se tornar excessivo.

O projeto térmico deve considerar:

• Perda central
• Perda de cobre
• Temperatura ambiente
• Dimensões do transformador
• Condições de gabinete
• Método de resfriamento
• Tempo de operação contínuo
• Carga máxima

Um transformador operando dentro de uma fonte de alimentação compacta e fechada pode ter requisitos térmicos muito diferentes de um transformador semelhante operando em um sistema industrial aberto.

Portanto, a otimização da frequência deve sempre incluir as condições reais de instalação e resfriamento.

9. Uma frequência de comutação mais alta sempre melhora a eficiência?

Não.

Uma frequência de comutação mais alta pode reduzir o tamanho do transformador e aumentar a densidade de potência, mas também pode aumentar as perdas no núcleo e no enrolamento.

Ao mesmo tempo, os dispositivos de comutação no conversor de potência sofrem suas próprias perdas de comutação.

Isso cria uma compensação prática-:

Frequência mais alta

→ Componentes magnéticos menores
→ Densidade de potência potencialmente maior
→ Menos voltas necessárias

Mas também:

→ Maior perda de núcleo
→ Maior perda de enrolamento CA
→ Gerenciamento térmico mais desafiador
→ Perdas de comutação potencialmente maiores
→ Maiores desafios de EMI

A frequência de comutação ideal não é, portanto, necessariamente a frequência mais alta que o circuito pode atingir.

É a frequência na qual o sistema completo de conversão de energia atinge um equilíbrio apropriado entre eficiência, tamanho, desempenho térmico, custo e confiabilidade.

10. Como a frequência de comutação altera o design do transformador

O efeito da frequência pode ser resumido da seguinte forma:

Essas tendências são considerações gerais de design. O resultado real depende do material magnético, da densidade do fluxo, da forma de onda, da topologia, do projeto do condutor e das condições operacionais.

11. Que informações você deve fornecer a um fabricante de transformadores?

A frequência de chaveamento deve ser incluída nas especificações do transformador desde o início de um projeto personalizado.

Um fabricante normalmente precisará de informações como:

• Tensão de entrada mínima e máxima
• Tensão de saída
• Corrente de saída
• Potência nominal
• Frequência de comutação
• Faixa de frequência
• Topologia do conversor
• Ciclo de trabalho
• Isolamento necessário
• Temperatura máxima de operação
• Dimensões máximas do transformador
• Requisitos de montagem

Para aplicações mais exigentes, informações adicionais sobre a forma de onda de comutação e os alvos elétricos podem ajudar o fabricante a avaliar o projeto magnético e do enrolamento com mais precisão.

Fornecer condições operacionais completas é especialmente importante quando o transformador for usado em uma nova fonte de alimentação, em vez de substituir um componente padrão existente.

12. Como encontrar a frequência de comutação correta para um transformador de alta frequência

Não existe uma frequência de comutação universal que seja ideal para todos os transformadores de alta frequência.

A frequência apropriada depende do projeto completo da fonte de alimentação.

Para uma fonte de alimentação compacta, o aumento da frequência pode proporcionar uma oportunidade para reduzir o tamanho do transformador. Para uma aplicação-de alta potência, no entanto, perdas no núcleo, perdas no enrolamento, perdas no resfriamento e na comutação de semicondutores podem tornar impraticável uma frequência excessivamente alta.

O transformador e o conversor devem, portanto, ser avaliados como um sistema.

Para projetos OEM, a melhor abordagem é definir primeiro a faixa de operação elétrica e as metas de desempenho e, em seguida, desenvolver o transformador de acordo com essas condições.

Conclusão

A frequência de chaveamento tem influência direta no desempenho do transformador de alta frequência.

O aumento da frequência pode ajudar a reduzir o número de voltas e o tamanho do transformador, mas também aumenta a importância da perda do núcleo, resistência do enrolamento CA, efeito pelicular, efeito de proximidade, parâmetros parasitas, EMI e gerenciamento térmico.

Por esta razão, uma frequência de comutação mais elevada não deve ser tratada como uma melhoria automática.

A frequência certa é aquela que permite que o transformador e a fonte de alimentação chaveada completa atinjam a combinação necessária de densidade de potência, eficiência, aumento de temperatura, isolamento elétrico, confiabilidade e tamanho geral do sistema.

Para o desenvolvimento personalizado de transformadores de alta frequência, a frequência de comutação deve ser especificada juntamente com os requisitos de tensão, potência, topologia, corrente, isolamento e mecânicos. Isto dá ao fabricante do transformador as informações necessárias para desenvolver um projeto apropriado de núcleo e enrolamento para a aplicação real.

Principais conclusões

Ao avaliar o efeito da frequência de chaveamento em um transformador de alta frequência, considere:

• Tamanho do transformador e densidade de potência
• Número necessário de voltas de enrolamento
• Perda de núcleo magnético
• Perda de enrolamento CA
• Efeitos de pele e proximidade
• Indutância de vazamento
• Capacitância parasita
• Desempenho EMI
• Aumento de temperatura
• Eficiência geral do conversor

O objetivo não é usar a frequência de chaveamento mais alta possível, mas encontrar a faixa de frequência que forneça o melhor desempenho geral para a aplicação específica da fonte de alimentação.