Планарные устройства компании Payton

Планарная технология производства силовых трансформаторов

До середины 80-х годов планарные технологии производства силовых трансформаторов ограничивались в основном разработками в военной и аэрокосмической промышленности. Пионером широкого коммерческого использования планарных технологий был Алекс Естров, опубликовавший в 1986 году некоторые данные о своих разработках в области производства планарных силовых трансформаторов, работающих на резонансной частоте 1 МГц. Идею ожидал успех. Некоторое время спустя Естров организовал компанию (сегодня Payton Power Magnetics Ltd.), начавшую производство планарных силовых трансформаторов и дросселей.

Что же такое планарная технология и чем она примечательна? Рассмотрим пример, который объясняет принцип построения планарных силовых трансформаторов (рис. 1). На рисунке представлен силовой трансформатор в разобранном виде. Он состоит из нескольких пластин с нанесенными на них витками обмотки и изоляционных пластин, отделяющих пластины обмотки друг от друга. Обмотка силового трансформатора выполнена в виде дорожек на печатных платах или участков меди, нанесенных на плату печатным способом. Все слои размещаются друг над другом и удерживаются двумя частями ферритового сердечника.

Рис.1. Планарная технология исполнения устройств

Стремление к уменьшению габаритных размеров и в то же время к повышению мощности — общая дилемма развития современных силовых устройств. В планарном силовом трансформаторе чередование слоев с первичной и вторичной обмотками приводит к образованию сильной магнитной связи и, как следствие, к значительному повышению КПД силового трансформатора. В то же время благодаря планарной технологии уменьшаются габаритные размеры устройства. При этом планарные силовые трансформаторы, в отличие от традиционных, имеют относительно большую эффективную площадь охлаждения и их легче охлаждать — можно использовать различные варианты — естественное, принудительное, односторонний и двусторонний радиатор, жидкостное.

Еще одна положительная черта планарных устройств — малый разброс электрических параметров от устройства к устройству. Силовой трансформатор с проволочной обмоткой обладает большим разбросом параметров, так как проволока в процессе намотки ложится на каркас неравномерно, что не может не влиять на параметры устройства (например, индуктивность, добротность). Планарные силовые трансформаторы собираются на основе многослойных печатных плат. Каждая плата изготавливается одним и тем же способом. Дорожки на платах также наносятся печатным способом. Травление плат — всегда один и тот же процесс. Погрешности параметров планарного силового трансформатора в сотни раз меньше погрешностей традиционного силового трансформатора с проволочной обмоткой.

Планарные силовые трансформаторы идеально подходят для телекоммуникационных систем, компьютеров, авиационных бортовых систем, силовых источников питания, сварочных аппаратов, систем индукционного нагрева — везде, где необходимы силовые трансформаторы с высоким КПД и малыми габаритами.

Основные преимущества планарных силовых трансформаторов:

• высокая мощность при небольших габаритных размерах (10 Вт— 20 кВт);
• высокий КПД устройств (97-99%);
• широкий температурный диапазон: от-40 до +130 °С;
• диэлектрическая прочность устройств 4-5 кВ;
• низкая индуктивность рассеяния;
• диапазон рабочих частот планарных устройств лежит в пределах от 20 кГц до 2,5 МГц;
• высокая мощность при малых размерах — планарные силовые трансформаторы включают, как правило, от одной до семи обмоток;
• малый разброс параметров при серийном производстве устройств;
• очень низкий уровень электромагнитных помех;
• малые габариты и вес.

Планарные силовые трансформаторы Payton

Payton производит широкую номенклатуру планарных трансформаторов мощностью от 5 Вт до 20 кВт. Силовые трансформаторы Payton, обладая небольшими размерами (рис. 2), способны работать на больших мощностях и обеспечивают хорошие тепловые характеристики. В таблице 1 представлены данные по размеру, мощности, весу и по типоразмеру сердечника.

Рис.2. Трансформаторы на основе сердечников по размерами, приведенным в таблице 1

Линия продуктов компании Payton включает в себя устройства, рассчитанные на различные мощности и предназначенные для использования в телекоммуникационном оборудовании, в импульсных источниках питания, AC-DC и DC-DC преобразователях напряжения и т. п. В таблице 2 представлены характеристики некоторых типов планарных силовых трансформаторов компании Payton.

Изначально разработчики компании Payton ориентировались на производство силовых трансформаторов только для импульсных источников питания (ИИП), для применения в сварочных аппаратах и системах индукционного нагрева. Однако сейчас они применяются практически повсеместно.

Силовые трансформаторы Payton идеально подходят для применения в импульсных источников питания для сварочных аппаратов. Силовые трансформаторы отлично вписываются в структуру импульсного источника питания, гарантируя большую продолжительность его работы. Известно, что импульсные источники питания  сварочных аппаратов генерируют критично высокие значения выходных токов. Поэтому вторичных витков в большинстве случаев всего несколько. Планарные трансформаторы подходят, таким образом, для работы с высокими значениями токов и могут использоваться в сварочном оборудовании. Применение планарных силовых трансформаторов может значительно уменьшить размеры и вес конечного устройства.

Планарный силовые трансформатор также хорошо вписывается в структуру импульсных источников питания для систем индукционного нагрева. Для этих целей, например, был выпущен силовой трансформатор мощностью 20 кВт (рис. 3) и размерами 180×104×20 мм.

Рис. 3. Силовой трансформатор для использования в импульсных источников питания сварочного аппарата

Компания Payton предлагает силовые трансформаторы с выводами для различных способов монтажа. Возможны варианты как для поверхностного, так и сквозного монтажа на печатную плату. Плоские поверхности сердечников пригодны для автоматического монтажа. Кроме того, есть устройства с выводами для навесного монтажа.

Планарные дроссели Payton

Payton производит широкую номенклатуру дросселей, собираемых по планарной технологии. Дроссели Payton, как и силовые трансформаторы, при небольших размерах обеспечивают значительную мощность. Дроссели производятся по технологии предварительного намагничивания сердечника. Хотя, данная технология известна давно, она не находила широкого применения вследствие высокой стоимости специальных магнитных материалов, традиционно использующихся для изготовления сердечников, невозможности работы устройств на высоких частотах и ухудшения характеристик в результате размагничивания сердечника. Разработчикам Payton удалось устранить эти недостатки путем использования сердечников из ферромагнитных материалов — недорогой и эффективной замены сердечникам из специальных магнитов.

Технология предварительного намагничивания сердечников позволяет удвоить значение индуктивности дросселя без изменения тока, либо удвоить значение тока при неизменной индуктивности. Новая технология производства дросселей позволяет снизить потери мощности в 4 раза и уменьшить контактную площадку на 30-40% (рис. 4).

Рис. 4. Дроссели, выполненные по новой и старой технологии предварительного намагничивания с одинаковыми параметрами

Тестирование дросселей на ухудшение магнитных свойств показало, что на рабочих частотах до 1 МГц ухудшения магнитных свойств сердечников не происходит даже при 10-кратном превышении напряженности поля по сравнению с обычным эксплуатационным значением.

Гибридные дроссели

Кроме того, Payton активно развивает технологии построения гибридных планарных дросселей, которые способны работать на высоких резонансных частотах. Эти устройства построены на основе «6-коленного» планар-ного ферромагнитного сердечника, совмещенного с многожильной обмоткой. Такое сочетание позволяет достигнуть высокого показателя добротности на высоких частотах. Например, значение добротности дросселя индуктивностью 40 мкГн при токе 3 А и рабочей частоте 1 МГц составляет 500!

Дроссель-фильтр

Payton также производит планарные дроссели, специально разработанные для ослабления синфазных помех. Соотношение между индуктивностью рассеяния и собственной индуктивностью устройства уменьшено до 0,005%. Благодаря высокому значению собственной емкости, планарные дроссели синфазных помех могут включать в себя входные и выходные конденсаторы. Поэтому этот вид дросселей может использоваться как фильтр синфазных помех. Уже сегодня идут разработки планарных дроссель-фильтров, которые будут работать при токах до 200 А.

Заключение

Благодаря стабильности технических характеристик, высокому КПД и эффективному методу охлаждения планарных устройств компании Payton их использование — привлекательное решение для производителей импульсных источников питания. Тенденция удешевления производства многослойных печатных плат делает планарные силовые трансформаторы все более доступными для самых разнообразных применений. Можно предположить, что в ближайшем будущем планарные устройства полностью вытеснят традиционные трансформаторы с проволочной обмоткой.