ترانسفورماتور که زنگ می زند: چگونه رزونانس یک سیم پیچ را به یک مبدل برق با راندمان بالا تبدیل می کند

آنچه هست، به زبان ساده

اکثر ترانسفورماتورها "بی صدا" هستند: آنها به سادگی ولتاژ را با فرکانس ثابت بالا یا پایین می کنند. ترانسفورماتور رزونانسی متفاوت است - عمداً در یک مدار نوسانی ساخته شده است، دقیقاً مانند زنگی که پس از زدن آن همچنان به صدا در می آید. با قرار دادن یک خازن در عرض یا پشت سر هم با سیم پیچ ها، ترانسفورماتور و خازن یک "مخزن" تنظیم شده را تشکیل می دهند که انرژی را با فرکانس طبیعی به جلو و عقب می چرخاند. این ترفند واحد، هم ولتاژ بالا و هم راندمان رکوردشکنی را باز می کند.

اصل، در دو طعم

ترانسفورماتورهای رزونانس ولتاژ بالا کلاسیک - سیم پیچ تسلا، سیم پیچ احتراق خودرو، ترانسفورماتور نور پس زمینه در صفحه نمایش های LCD قدیمی - از رزونانس برای ضرب ولتاژ استفاده می کنند. انرژی در هر چرخه به مخزن پمپ می شود، بنابراین ولتاژ بسیار بالاتر از آنچه که نسبت چرخش به تنهایی می دهد بالا می رود.

طعم دوم ترانسفورماتور مبدل تشدید LLC است که در منابع تغذیه مدرن یافت می شود. در اینجا اندوکتانس نشتی خود ترانسفورماتور (Lr) و اندوکتانس مغناطیسی (Lm) همراه با یک خازن تشدید (Cr)، مخزن LLC را تشکیل می دهند. فرکانس سوئیچینگ در اطراف دو فرکانس طبیعی مخزن - fr1 = 1 / (2π√(Lr·Cr)) و fr2 = 1 / (2π√((Lr+Lm)·Cr)) - برای تنظیم خروجی جاروب می شود.

مثال کاربردی: یک شارژر آنبرد EV

طبق یادداشت‌های سازنده و برنامه‌های کاربردی معمولی، در یک شارژر داخلی خودروی الکتریکی یا منبع تغذیه سرور، یک مرحله LLC معمولاً به بالاتر از 96٪ (اغلب 97-98٪) می رسد. جادوی سوئیچ نرم است: از آنجا که مخزن ولتاژ و جریان سوئیچ را به صفر می رساند، ماسفت ها با ولتاژ صفر (ZVS) روشن می شوند و دیودهای یکسو کننده با جریان صفر (ZCS) خاموش می شوند. تقریباً بدون تلفات همپوشانی، مبدل می تواند با استفاده از مغناطیسی بسیار کوچک با فرکانس 100 کیلوهرتز تا 1 مگاهرتز کار کند.

هشدارهای مهندسی

برای LLC، ترانسفورماتور دیگر "فقط یک نسبت" نیست. شما باید Lr آن را (از طریق سیم پیچی، شکاف هوا یا پایه شنت) و Lm آن طراحی کنید . نسبت اندوکتانس k = Lm / Lr (معمولاً 3-7 در طرح‌های عملی) محدوده بهره را تعیین می‌کند: یک k کوچک، بهره وسیع را ایجاد می‌کند، اما تلفات مغناطیسی بیشتری می‌دهد. یک k بزرگ کارآمدتر اما باریکتر است. تحمل مولفه مهم است - جابجایی چند درصدی در Lr یا Cr نقطه عملیاتی را تغییر می‌دهد.

تصور غلط رایج

"رزونانس به معنای یک ابزار سرگرمی پیچیده است که باید انرژی را هدر دهد." اشتباه است. سوئیچینگ نرم، تلفات سوئیچینگ را تا 60 درصد یا بیشتر در مقایسه با طرح‌های سوئیچ سخت کاهش می‌دهد - دقیقاً به همین دلیل است که LLC توپولوژی غالب در شارژرهای کارآمد و تجهیزات مرکز داده است.

واقعیت سرگرم کننده

سیم پیچ تسلا به معنای واقعی کلمه یک ترانسفورماتور هسته هوا تشدید کننده است که ثانویه آن با ظرفیت سرگردان خود طنین انداز می شود. و در یک LLC، نسبت چرخش بیشتر افزایش ولتاژ را تعیین می کند - کار واقعی توسط نشتی و اندوکتانس مغناطیسی انجام می شود. ایمنی این دستگاه ها از IEC 61558-1 (عمومی) و برای انواع حالت سوئیچ، IEC 61558-2-16 پیروی می کند.