Wie sich die Schaltfrequenz auf die Leistung von Hochfrequenztransformatoren auswirkt

Die Schaltfrequenz ist einer der wichtigsten Parameter beim Entwurf von Hochfrequenztransformatoren. Es wirkt sich auf den Magnetkern, die Windungszahl, die Leistungsdichte, den Kernverlust, den Wicklungsverlust, den Temperaturanstieg und die Gesamtgröße des Transformators aus.

Eine Erhöhung der Schaltfrequenz kann zur Reduzierung der Transformatorgröße beitragen, eine höhere Frequenz bedeutet jedoch nicht automatisch eine bessere Transformatorleistung. Mit zunehmender Frequenz kann es auch schwieriger werden, Kern- und Wicklungsverluste zu kontrollieren.

Für Hersteller von Schaltnetzteilen und OEM-Ingenieure besteht der Schlüssel darin, eine geeignete Betriebsfrequenz zu finden und gleichzeitig den Transformator innerhalb seiner elektrischen, thermischen und mechanischen Grenzen zu halten.

1. Warum es wichtig ist, die Frequenz zu wechseln

Ein Hochfrequenztransformator arbeitet entsprechend dem sich ändernden Magnetfluss, der durch die Schaltwellenform erzeugt wird.

Bei einer gegebenen Spannung und Kernquerschnittsfläche ermöglicht eine Erhöhung der Schaltfrequenz, dass die erforderliche Magnetflussänderung häufiger auftritt. Dies kann die Anzahl der für ein bestimmtes Transformatordesign erforderlichen Windungen reduzieren und möglicherweise einen kleineren Magnetkern ermöglichen.

Dies ist einer der Gründe, warum Hochfrequenztransformatoren in kompakten Schaltnetzteilen weit verbreitet sind.

Die Häufigkeit beeinflusst jedoch auch mehrere Verlustmechanismen. Mit zunehmender Schalthäufigkeit muss der Konstrukteur Folgendes stärker beachten:

• Kernverlust
• Kupferverlust
• Hauteffekt
• Proximitätseffekt
• Streuinduktivität
• Parasitäre Kapazität
• Temperaturanstieg
• EMI

Daher sollte die Schaltfrequenz als Designparameter des Kerntransformators betrachtet werden und nicht nur als eine Möglichkeit, die Komponentengröße zu reduzieren.

2. Eine höhere Frequenz kann die Transformatorgröße verringern

Einer der Hauptvorteile einer Erhöhung der Schaltfrequenz ist das Potenzial für eine höhere Leistungsdichte.

Bei einer höheren Frequenz kann der Magnetkern häufiger Energie verarbeiten. Unter geeigneten Betriebsbedingungen kann der Transformator dadurch die erforderliche Leistungsübertragung mit einer kleineren Magnetstruktur erreichen.

Für Gerätehersteller kann dies dazu beitragen, Folgendes zu reduzieren:

• Transformatorvolumen
• PCB-Bereich
• Gewicht der Ausrüstung
• Gesamtgröße des Netzteils

Dies ist besonders nützlich für kompakte:

• Schaltnetzteile
• DC-DC-Wandler
• Batterieladegeräte
• Ladeausrüstung für Elektrofahrzeuge
• Solarstromelektronik
• Energiespeichersysteme
• Industrielle Steuerungsausrüstung

Die Reduzierung der Transformatorgröße sollte jedoch nicht das einzige Designziel sein. Ein kleinerer Kern hat möglicherweise eine geringere thermische Oberfläche, während eine höhere Frequenz die Magnet- und Wicklungsverluste erhöhen kann.

Das endgültige Design erfordert daher ein Gleichgewicht zwischen Größe, Effizienz, Leistungsdichte und Temperaturanstieg.

3. Die Schaltfrequenz beeinflusst die Anzahl der Umdrehungen

Die Frequenz steht in direktem Zusammenhang mit der Anzahl der Windungen, die in der Transformatorwicklung erforderlich sind.

Wenn die Betriebsfrequenz steigt, kann die erforderliche Windungszahl bei gleichen Spannungs- und Magnetflussbedingungen im Allgemeinen reduziert werden.

Dies kann mehrere potenzielle Vorteile bieten:

• Kleinerer Wickelbereich
• Kürzere Leiterlänge
• Reduzierte Transformatorgröße
• Höhere Leistungsdichte

Die Reduzierung der Windungen bedeutet jedoch nicht, dass die Wicklungskonstruktion automatisch einfacher wird.

Der Hersteller muss noch Folgendes berücksichtigen:

• Maximale Flussdichte
• Kernmaterial
• Eingangsspannungsbereich
• Arbeitszyklus
• Wellenform
• Anforderungen an die Isolierung
• Stromdichte

Daher kann nicht davon ausgegangen werden, dass ein Transformator, der für eine Schaltfrequenz ausgelegt ist, auch bei einer anderen Frequenz ordnungsgemäß funktioniert, nur weil die Eingangs- und Ausgangsspannungen unverändert bleiben.

4. Höhere Frequenzen erhöhen den Kernverlust

Eine der größten Einschränkungen bei der Erhöhung der Schaltfrequenz ist der Kernverlust.

Magnetische Materialien weisen frequenzabhängige Verluste auf. Mit zunehmender Schaltfrequenz kann der Magnetkern je nach Kernmaterial, Flussdichte, Wellenform und Betriebstemperatur mehr Energie als Wärme abgeben.

Der Kernverlust wird beeinflusst durch:

• Schaltfrequenz
• Flussdichte
• Kernmaterial
• Betriebstemperatur
• Magnetische Wellenform

Das bedeutet, dass ein für einen bestimmten Frequenzbereich geeignetes Kernmaterial bei einer wesentlich höheren Frequenz möglicherweise nicht die gleiche Leistung erbringt.

Bei der Entwicklung eines Hochfrequenztransformators sollte die Kernauswahl daher auf der tatsächlichen Betriebsfrequenz und den Magnetflussbedingungen basieren und nicht nur auf der physischen Kerngröße.

5. Wicklungsverluste werden bei höheren Frequenzen wichtiger

Eine höhere Schaltfrequenz wirkt sich auch auf die Transformatorwicklungen aus.

Bei hohen Frequenzen verteilt sich der Strom nicht gleichmäßig im Leiter. Durch den Skin-Effekt konzentriert sich der Strom auf den äußeren Bereich des Leiters und erhöht so den effektiven Wechselstromwiderstand.

Der Proximitätseffekt kann auch den Wechselstromwiderstand erhöhen, da die von nahegelegenen Leitern erzeugten Magnetfelder die Stromverteilung beeinflussen.

Daher löst eine einfache Vergrößerung des Drahtdurchmessers das Problem möglicherweise nicht immer.

Abhängig vom Design kann die Wicklung eine sorgfältige Überlegung erfordern:

• Leiterdurchmesser
• Anzahl paralleler Leiter
• Wicklungsanordnung
• Leiterabstand
• Stromdichte
• Wickelschichten
• Betriebsfrequenz

Bei Anwendungen mit höheren Frequenzen kann die Wicklungsstruktur einen erheblichen Einfluss auf den Wirkungsgrad des Transformators und den Temperaturanstieg haben.

6. Streuinduktivität kann die Schaltleistung beeinträchtigen

Die Schaltfrequenz ist nicht unabhängig von der Streuinduktivität des Transformators.

Die Streuinduktivität stellt den Teil des magnetischen Flusses dar, der die relevanten Wicklungen nicht effektiv verbindet. Bei Schaltwandlern kann eine übermäßige Streuinduktivität zu Spannungsspitzen und Schaltverlusten führen.

Sein Einfluss wird besonders wichtig, wenn der Wandler mit hohen Schaltgeschwindigkeiten arbeitet.

Transformatorhersteller können daher die Wicklungsstruktur anpassen, um Folgendes zu steuern:

• Primäre-sekundäre Kopplung
• Streuinduktivität
• Parasitäre Kapazität
• Wicklungsanordnung

Abhängig von der Wandlertopologie kann ein bestimmter Streuinduktivitätswert sogar Teil der erforderlichen Transformatorspezifikation sein.

Aus diesem Grund sollte ein Hochfrequenztransformator zusammen mit seinem Schaltkreis ausgelegt werden und nicht als isolierte Komponente betrachtet werden.

7. Parasitäre Kapazität ist ebenfalls wichtig

Die Wicklungen eines Transformators erzeugen natürlicherweise parasitäre Kapazitäten zwischen den Leitern sowie zwischen der Primär- und Sekundärseite.

Bei höheren Schaltfrequenzen gewinnen diese parasitären Effekte zunehmend an Bedeutung für das Schaltungsverhalten.

Eine übermäßige parasitäre Kapazität kann Folgendes beeinflussen:

• Gleichtaktrauschen
• EMI
• Wellenformen wechseln
• Hochfrequenzstrompfade
• Isolationsleistung

Die physikalische Anordnung der Wicklungen, Isoliermaterialien, Abstände und Kernstruktur können alle die parasitäre Kapazität beeinflussen.

Daher kann eine steigende Schaltfrequenz eine andere Wicklungsstruktur erfordern, auch wenn die grundlegenden Spannungs- und Leistungsanforderungen unverändert bleiben.

8. Der Temperaturanstieg ist die praktische Grenze

Bei vielen Hochfrequenztransformatorkonstruktionen bestimmt letztendlich die thermische Leistung, wie weit die Schaltfrequenz erhöht werden kann.

Der Temperaturanstieg des Transformators wird sowohl durch den Kernverlust als auch durch den Wicklungsverlust beeinflusst.

Wenn diese Verluste bei höherer Frequenz schneller ansteigen als die Kühlleistung des Transformators, kann der Temperaturanstieg übermäßig groß werden.

Das thermische Design sollte Folgendes berücksichtigen:

• Kernverlust
• Kupferverlust
• Umgebungstemperatur
• Abmessungen des Transformators
• Gehäusebedingungen
• Kühlmethode
• Kontinuierliche Betriebszeit
• Maximale Belastung

Ein Transformator, der in einem kompakten geschlossenen Netzteil betrieben wird, kann ganz andere thermische Anforderungen haben als ein ähnlicher Transformator, der in einem offenen Industriesystem betrieben wird.

Daher sollte die Frequenzoptimierung immer die tatsächlichen Installations- und Kühlbedingungen berücksichtigen.

9. Verbessert eine höhere Schaltfrequenz immer die Effizienz?

NEIN.

Eine höhere Schaltfrequenz kann die Transformatorgröße verringern und die Leistungsdichte erhöhen, aber auch die Kern- und Wicklungsverluste erhöhen.

Gleichzeitig erleiden die Schaltgeräte im Stromrichter eigene Schaltverluste.

Dadurch entsteht ein praktischer Kompromiss-:

Höhere Frequenz

→ Kleinere magnetische Komponenten
→ Möglicherweise höhere Leistungsdichte
→ Weniger Umdrehungen erforderlich

Aber auch:

→ Höherer Kernverlust
→ Größerer AC-Wicklungsverlust
→ Anspruchsvolleres Wärmemanagement
→ Eventuell höhere Schaltverluste
→ Größere EMI-Herausforderungen

Die optimale Schaltfrequenz ist daher nicht unbedingt die höchste Frequenz, die die Schaltung erreichen kann.

Dabei handelt es sich um die Frequenz, bei der das gesamte Energieumwandlungssystem ein angemessenes Gleichgewicht zwischen Effizienz, Größe, thermischer Leistung, Kosten und Zuverlässigkeit erreicht.

10. Wie die Schaltfrequenz das Transformatordesign verändert

Der Effekt der Frequenz lässt sich wie folgt zusammenfassen:

Bei diesen Trends handelt es sich um allgemeine Designüberlegungen. Das tatsächliche Ergebnis hängt vom magnetischen Material, der Flussdichte, der Wellenform, der Topologie, dem Leiterdesign und den Betriebsbedingungen ab.

11. Welche Informationen sollten Sie einem Transformatorhersteller zur Verfügung stellen?

Die Schaltfrequenz sollte von Beginn eines kundenspezifischen Projekts an in die Transformatorspezifikation aufgenommen werden.

Ein Hersteller benötigt normalerweise Informationen wie:

• Minimale und maximale Eingangsspannung
• Ausgangsspannung
• Ausgangsstrom
• Nennleistung
• Schaltfrequenz
• Frequenzbereich
• Konvertertopologie
• Arbeitszyklus
• Erforderliche Isolation
• Maximale Betriebstemperatur
• Maximale Transformatorabmessungen
• Montageanforderungen

Bei anspruchsvolleren Anwendungen können zusätzliche Informationen über die Schaltwellenform und die elektrischen Ziele dem Hersteller dabei helfen, das Magnet- und Wicklungsdesign genauer zu bewerten.

Die Bereitstellung vollständiger Betriebsbedingungen ist besonders wichtig, wenn der Transformator in einer neuen Stromversorgung eingesetzt wird, anstatt eine vorhandene Standardkomponente zu ersetzen.

12. So finden Sie die richtige Schaltfrequenz für einen Hochfrequenztransformator

Es gibt keine universelle Schaltfrequenz, die für jeden Hochfrequenztransformator ideal ist.

Die geeignete Frequenz hängt von der gesamten Stromversorgungskonstruktion ab.

Bei einer kompakten Stromversorgung bietet eine Erhöhung der Frequenz möglicherweise die Möglichkeit, die Transformatorgröße zu verringern. Bei einer Hochleistungsanwendung können jedoch Kernverluste, Wicklungsverluste, Kühlung und Halbleiterschaltverluste eine übermäßig hohe Frequenz unpraktisch machen.

Daher sollten Transformator und Konverter als ein System bewertet werden.

Bei OEM-Projekten besteht der beste Ansatz darin, zunächst den elektrischen Betriebsbereich und die Leistungsziele zu definieren und dann den Transformator entsprechend diesen Bedingungen zu entwickeln.

Abschluss

Die Schaltfrequenz hat einen direkten Einfluss auf die Leistung des Hochfrequenztransformators.

Eine Erhöhung der Frequenz kann dazu beitragen, die Anzahl der Windungen und die Transformatorgröße zu reduzieren, erhöht aber auch die Bedeutung von Kernverlust, Wechselstromwicklungswiderstand, Skin-Effekt, Proximity-Effekt, parasitären Parametern, EMI und Wärmemanagement.

Aus diesem Grund sollte eine höhere Schalthäufigkeit nicht als automatische Verbesserung betrachtet werden.

Die richtige Frequenz ist diejenige, die es dem Transformator und dem gesamten Schaltnetzteil ermöglicht, die erforderliche Kombination aus Leistungsdichte, Effizienz, Temperaturanstieg, elektrischer Isolierung, Zuverlässigkeit und Gesamtsystemgröße zu erreichen.

Für die Entwicklung kundenspezifischer Hochfrequenztransformatoren sollte die Schaltfrequenz zusammen mit Spannung, Leistung, Topologie, Strom, Isolierung und mechanischen Anforderungen angegeben werden. Dadurch erhält der Transformatorhersteller die Informationen, die er benötigt, um ein geeignetes Kern- und Wicklungsdesign für die tatsächliche Anwendung zu entwickeln.

Wichtige Erkenntnisse

Berücksichtigen Sie bei der Bewertung der Auswirkung der Schaltfrequenz auf einen Hochfrequenztransformator Folgendes:

• Transformatorgröße und Leistungsdichte
• Erforderliche Anzahl Wicklungswindungen
• Magnetkernverlust
• AC-Wicklungsverlust
• Haut- und Proximity-Effekte
• Streuinduktivität
• Parasitäre Kapazität
• EMI-Leistung
• Temperaturanstieg
• Gesamtwirkungsgrad des Konverters

Das Ziel besteht nicht darin, die höchstmögliche Schaltfrequenz zu verwenden, sondern darin, den Frequenzbereich zu finden, der die beste Gesamtleistung für die spezifische Stromversorgungsanwendung bietet.