اندوکتانس نشتی: مهندسان "عیب" ترانسفورماتور عمدا مهندسی می کنند

مقدمه

یک ترانسفورماتور ایده آل هر بیت انرژی مغناطیسی را از سیم پیچ اولیه خود به سیم پیچ ثانویه خود منتقل می کند. ترانسفورماتورهای واقعی این کار را نمی کنند. بخش کوچکی از شار مغناطیسی از هسته خارج می شود و تنها یک سیم پیچ را به هم متصل می کند - هرگز به دیگری نمی رسد. این شار "سرگردان" مانند یک سلف ناخواسته که به صورت سری به سیم پیچ متصل شده است، رفتار می کند و ما آن را اندوکتانس نشتی می نامیم. برای چندین دهه به عنوان یک مزاحمت در نظر گرفته می شد که باید به حداقل برسد. امروزه این چیزی است که مهندسان به طور فعال با آن طراحی می کنند - و گاهی اوقات برای .

اصل و انواع

اندوکتانس نشتی ناشی از اتصال مغناطیسی ناقص است. دو سیم‌پیچ را به‌طور مشترک در یک هسته تصویر کنید: جریان متناوب در اصلی، شار ایجاد می‌کند، اما همه آن از طریق ثانویه عبور نمی‌کند. بخش بدون پیوند - شار در شکاف بین سیم پیچ ها، بین لایه ها و خارج از هسته - به جای انتقال انرژی، انرژی را ذخیره می کند. ما کوپلینگ را با ضریب k (0 تا 1) کمی می کنیم: k = 1 به معنای اتصال کامل و نشتی صفر است. k کمتر به معنای نشتی بیشتر است. نشتی تقریباً با مربع پیچ ها مقیاس می شود، بنابراین ترانسفورماتورهای با نسبت بالا سخت ترین رام کردن هستند (Cadence; Frenetic). در عمل، حتی یک ترانسفورماتور SMPS 100 کیلوهرتز که به خوبی ساخته شده است، معمولا k را در محدوده 0.95-0.99 نشان می دهد - نشتی در درصد کمی به نظر می رسد، اما در جریان های سوئیچینگ بالا، انرژی ذخیره شده (½·Lk·I²) چیزی جز اندک است.

هیچ "نوع" جداگانه ای از اندوکتانس نشتی به اندازه توزیع وجود ندارد: نشت اولیه و نشت ثانویه ، به علاوه نحوه پخش آن در لایه ها و بخش ها. شما آن را با کوتاه کردن ثانویه و خواندن اندوکتانس در اولیه اندازه گیری می کنید - که خواندن نشتی است . (با باز ثانویه، در عوض، اندوکتانس مغناطیسی را می خوانید.) برای ترانسفورماتورهای قدرت در مقیاس شبکه، راکتانس نشتی یکی از پارامترهای طراحی غالب است - تنظیم ولتاژ، سهم جریان خطا، و جریان توان راکتیو را تنظیم می کند.

مثال کاربردی

در مبدل فلای بک، نشتی دشمن است: هنگامی که سوئیچ خاموش می شود، انرژی نشتی ذخیره شده (½·Lk·I²) به عنوان یک ولتاژ افزایش می یابد که می تواند MOSFET را از بین ببرد، بنابراین طراحان snubbers اضافه می کنند و برای کاهش نشتی به میزان 40-60% LPE تیک از P-S-P استفاده می کنند. اما در یک مبدل رزونانس LLC ، داستان تغییر می کند. اندوکتانس نشتی به القاگر تشدید Lr مخزن تبدیل می شود و اندوکتانس مغناطیسی Lm عنصر تشدید کننده دیگر است - هر دو ویژگی "آزاد" خود ترانسفورماتور هستند (TI; EE Times). این یک جزء مغناطیسی اضافی را حذف می کند، سوئیچینگ نرم را ممکن می کند، و اجازه می دهد بازده به اواسط دهه 90 برسد.

تصور اشتباه رایج / واقعیت جالب

تصور غلط: "القای نشتی فقط یک نقص است؛ آن را به صفر برسانید." در واقعیت، وادار کردن نشتی به سمت صفر نیاز به درهم تنیدگی سنگین دارد، که ظرفیت بین سیم پیچی انگلی را افزایش می دهد و EMI را بدتر می کند (تقریبا C∝ 1/ω²Lk). و در طرح های LLC، نشتی بزرگ و کنترل شده نکته اصلی است.

واقعیت جالب: یک ترانسفورماتور LLC با طراحی خوب می تواند ظرفیت اولیه به ثانویه کمتر از 2 pF داشته باشد - تقریباً ده برابر کمتر از یک فلای بک معمولی - دقیقاً به این دلیل که سیم پیچ های آن از هم فاصله دارند تا نشت را بالا نگه دارند (TI). پارامتری که زمانی با آن مبارزه می کردید به بهترین ویژگی شما تبدیل می شود.