Планарные трансформаторы Payton Planar Magnetics для малогабаритных высоконадежных применений

№ 4’2015
PDF версия
Группа компаний Payton более 25 лет успешно занимается разработкой и производством высоконадежных электромагнитных компонентов, удовлетворяющих требованиям основных отраслевых стандартов. Подразделение Payton Planar Magnetics специализируется на изготовлении широкого спектра устройств, выполненных по планарной технологии. В линейку продукции входят планарные трансформаторы мощностью от 5 Вт до 20 кВт, планарные дроссели с предварительно намагниченным сердечником, гибридные дроссели, работающие на высоких резонансных частотах, и дроссели-фильтры для ослабления синфазных помех. В статье рассматриваются преимущества применения и основные характеристики планарных трансформаторов Payton, предназначенных для применения в телекоммуникационном и медицинском оборудовании, промышленных установках, автомобилестроении, а также в высоконадежной аппаратуре военного и авиационного назначения.

Введение

Структура планарных устройств

Рис. 1. Структура планарных устройств

Развитие устройств силовой электроники идет по пути уменьшения их габаритных размеров с одновременным увеличением эффективной мощности и рабочих частот. Разработчикам приходится применять элементы с минимальными размерами, это также касается электромагнитных пассивных компонентов (трансформаторов и дросселей), являющихся неотъемлемой частью любого импульсного источника питания (ИП). Поэтому все большую популярность приобретают именно планарные устройства, являющиеся привлекательной альтернативой стандартным решениям с проволочной намоткой на ферритовый сердечник. По оценкам специалистов, смена традиционной технологии построения силового трансформатора на новую планарную обеспечивает выигрыш до 60% по массо-габаритным параметрам, а с учетом остальных преимуществ можно с уверенностью предположить, что доля их на рынке электронных компонентов будет постоянно увеличиваться.

Принцип построения электромагнитных устройств по планарной технологии заключается в использовании отдельных многослойных ПП (МПП) или элементов трассировки в составе МПП, где роль обмоток обычных трансформаторов или дросселей выполняют дорожки на печатной плате (ПП) или участки меди, выполненные стандартным способом и разделенные слоями изоляционного материала [1]. Все слои размещаются друг над другом и удерживаются двумя частями малоразмерного ферритового сердечника (рис. 1). При проектировании обмоток на ПП используются те же материалы, что и для обычных плат. Обычно это стеклотекстолит толщиной 0,2 мм (меняется в зависимости от параметров электрической развязки первичных и вторичных цепей) и медная фольга толщиной 18, 35 или 70 мкм.

 

Особенности и преимущества применения планарной технологии

По конструктивному исполнению все планарные индуктивные устройства подразделяются на несколько типов. Навесные компоненты, у которых все обмотки выполнены в виде самостоятельных ПП, можно использовать для замены обычных деталей на одно- и двухслойных платах (рис. 2а). Они позиционируются для применения в мощных преобразователях, поэтому основными конструктивными требованиями здесь являются тепловые характеристики. Для низкопрофильных применений погружение навесных компонентов в вырез платы позволяет уменьшить высоту сборки, не меняя при этом местоположения (рис. 2б). Малая высота делает планарные компоненты перспективными для применения в стоечном и портативном оборудовании. Гибридные компоненты уменьшают количество навесных обмоток за счет использования дорожек, разведенных на ПП проектируемого устройства. Навесные и встроенные обмотки соединяются между собой на материнской плате, необходимо только предусмотреть отверстия для размещения ферритового сердечника (рис. 2в).

Варианты изготовления планарных устройств

Рис. 2. Варианты изготовления планарных устройств

Наконец, в интегрированном варианте навесные обмотки вообще отсутствуют, вместо них используются витки, нанесенные на отдельные слои многослойных ПП (рис. 2г). Данный тип планарных компонентов предназначен, в основном, для применения в маломощных преобразователях и устройствах обработки сигналов [2]. Их основными конструктивными особенностями являются малая высота и хорошие высокочастотные характеристики. Типовые изделия, доступные на рынке электронных компонентов, относятся к первому типу.

Сборка магнитопровода планарных трансформаторов осуществляется путем склеивания или с использованием специального зажима. К преимуществам склеивания можно отнести фиксацию трансформатора на печатной плате, малую высоту сборки (не выступает дуга зажима), однородность поперечного сечения магнитопровода, меньшие размеры выреза в плате (для интегрированной версии), а также простоту автоматизации производства. Преимуществами зажимного крепления являются отсутствие проблем при использовании трансформатора в высокотемпературных приложениях и чистота процесса сборки.

Применение планарных устройств, помимо уменьшения габаритов, обеспечивает улучшение ряда ключевых параметров (таблица 1).

Таблица 1. Сравнение основных характеристик традиционных и планарных трансформаторов

Параметр

Планарные устройства

Намоточные устройства

Эффективность преобразования, %

До 99

90

Размер

Минимальная высота

Определяется особенностями намотки

Тепловое сопротивление, °С/Вт

Менее 0,5

10 (с воздушным охлаждением)

Вес, г (для 7-кВт устройства)

200

1000

Мощность, Вт

5–20000

Ограничена типом охлаждения

Повторяемость характеристик

Высокая

Зависит от намотки

Простота сборки

Высокая

Низкая

Чередование слоев с первичной и вторичной обмотками в планарном трансформаторе способствует образованию сильной магнитной связи и, как следствие, значительному повышению КПД (вплоть до 99%). Высокая эффективность в сочетании с возможностью внешнего охлаждения приводит к снижению внутренней температуры и значительно увеличивает наработку на отказ всей системы [2].

Хорошие тепловые характеристики обеспечивают весьма высокую плотность удельной мощности — в два раза бóльшую, чем у обычных трансформаторов. Рост температуры трансформатора зависит от отношения DT = f(Ve/Ae), где Ve — эффективный объем, определяющий мощность, а Ae — эффективная площадь отвода тепла, определяющая площадь охлаждения. Поскольку у планарных трансформаторов соотношение площадь/объем примерно вдвое больше, то и охлаждающая способность у планарных изделий примерно в два раза лучше. Это позволяет примерно вдвое увеличить удельную мощность при том же изменении температуры либо уменьшить эффективный объем, а значит, и массу при заданном росте температуры. На практике для охлаждения можно использовать различные варианты: естественное, принудительное, односторонний и двухсторонний радиатор, жидкостное и т. д.

Следующая положительная черта планарных устройств — малый разброс значений электрических параметров от устройства к устройству. Трансформатор с проволочной обмоткой обладает большим разбросом характеристик, так как проволока в процессе намотки ложится на каркас неравномерно, что не может не влиять на параметры устройства (индуктивность, добротность и т. д.). Погрешности параметров планарного трансформатора при правильно спроектированной топологии в сотни раз меньше погрешностей традиционного трансформатора с проволочной обмоткой благодаря технологичности процесса производства многослойных ПП, при котором четко контролируются геометрические размеры дорожек, и простоте сборки изделия. Нанесение обмоток печатным способом также обеспечивает низкую стоимость устройств при серийном выпуске.

Превосходная повторяемость величин паразитных параметров (межобмоточной емкости при расположении витков первичной и вторичной обмоток друг над другом) позволяет учесть их в реализуемых схемах, что упрощает процесс настройки аппаратуры. При расположении обмоток одна над другой магнитная связь является очень сильной, и достижимы значения коэффициента связи, близкие к 100% (рис. 3а). При использовании данной конструкции межобмоточная емкость максимальна. Эту емкость можно уменьшить, расположив дорожки соседних обмоток, как показано на рис. 3б. Более того, повторяемость значения емкости позволяет скомпенсировать ее в оставшейся части цепи, а также использовать при создании резонансных устройств. В последнем случае можно целенаправленно создать большую емкость путем размещения дорожек соседних обмоток друг напротив друга (рис. 3в).

Различные варианты конструкции обмоток

Рис. 3. Различные варианты конструкции обмоток

Из других преимуществ можно отметить малую индуктивность рассеяния, благодаря которой уменьшаются скачки и колебания напряжения, являющиеся причиной выхода из строя МОП-компонентов в ИП и дополнительным источником помех. Также потери на переменном токе, обусловленные скин-эффектом, оказываются меньше для плоских медных дорожек, чем для круглого провода с той же площадью поперечного сечения.

Планарные индуктивные элементы могут быть использованы в любой аппаратуре, где необходимо преобразование энергии (силовые трансформаторы и дроссели) и согласование, а также развязка цепей в импульсных линиях передачи сигналов. Планарные трансформаторы оптимально подходят для телекоммуникационных систем (широко­полосные трансформаторы в ADSL- и HDSL-интерфейсах), аппаратуры оборонного назначения, авиационных бортовых систем, высокоэффективных силовых ИП, сварочных аппаратов, систем индукционного нагрева, преобразователей напряжения в электромобилях, зарядных устройствах — везде, где необходимы силовые трансформаторы с высоким КПД и малыми габаритами.

 

Типовые характеристики планарных трансформаторов Payton

Компания Payton производит широкую номенклатуру планарных трансформаторов мощностью от 5 Вт до 20 кВт, которая удовлетворяет всем требованиям клиентов и соответствует международным отраслевым стандартам [4]. Изначально разработчики компании Payton ориентировались на производство трансформаторов только для импульсных ИП, для применения в сварочных аппаратах и системах индукционного нагрева. Однако сейчас, вследствие расширения спектра выпускаемых изделий, они рекомендованы практически для повсеместного применения.

Основная доля продукции компании связана с высоконадежными применениями, в частности, предназначена для разработки аппаратуры автомобильного и оборонного назначения. Также компания Payton является основным поставщиком планарных трансформаторов для ведущих компаний из США, Великобритании, Франции, Германии, Италии, Кореи, Китая, Австралии и Японии, выпускающих оборудование для авиакосмической отрасли промышленности. Производителем осуществляется сертификационное тестирование высоконадежных изделий на соответствие требованиям стандартов AS 9100, ISO 9001, ISO 14001 и TS16949. Возможно проведение ряда дополнительных испытаний по требованиям заказчиков, которые компания может выполнить в собственных лабораториях.

В основе всех планарных трансформаторов Payton лежит запатентованная технология изготовления Planetics, позволяющая кардинально уменьшить размеры и вес магнитных компонентов, одновременно повысить КПД и мощность, что позволяет сократить время, затрачиваемое на разработку, и уменьшить стоимость готовой продукции. В зависимости от мощности и назначения проектируемого трансформатора, проводящие слои выполняются при помощи медной фольги определенной формы, образующей один виток (рис. 4а), либо травлением нескольких плоских спиралей на поверхности ПП (рис. 4б). Слои объединяются последовательно или параллельно для получения заданных характеристик. Первый вариант подходит для низковольтных приложений с высокими уровнями рабочих токов, второй, наоборот, для высоковольтных устройств с низким током. Изоляционные слои различной толщины изготавливаются из тонкой лавсановой пленки и термостойкого полиамидного волокна [5]. Слоистая структура значительно увеличивает взаимосвязь между первичной и вторичной обмотками, что приводит к уменьшению индуктивности рассеяния и, тем самым, упрощает разработку ИП.

Типы проводящих слоев, применяемые в планарных трансформаторах Payton

Рис. 4. Типы проводящих слоев, применяемые в планарных трансформаторах Payton

На сегодня Payton предлагает заказные и типовые планарные трансформаторы на заданную мощность [6]. Выбор заказного изделия можно осуществить из 18 семейств с типоразмерами от Т14 до Т5000, предназначенных для применения в промышленном, медицинском и телекоммуникационном оборудовании, в компьютерах и вычислительных устройствах, в измерительных и контрольных приборах, военной технике, авиации и системах безопасности. Компания предлагает трансформаторы с выводами для различных способов монтажа (поверхностного, сквозного на печатную плату, навесного, на кабель и т. д.). Плоские поверхности сердечников пригодны для автоматического монтажа. Основные характеристики заказных планарных трансформаторов Payton представлены в таблице 2, а внешний вид показан на рис. 5.

Внешний вид заказных планарных трансформаторов Payton

Рис. 5. Внешний вид заказных планарных трансформаторов Payton

Таблица 2. Основные характеристики заказных планарных трансформаторов Payton

Типоразмер

Мощность, Вт

Максимальный ток, А

Максимальное рабочее напряжение, В

Диапазон рабочих частот, кГц

Диэлектрическая прочность, В (rms)

Вес, г (тип.)

Средние размеры, мм

T14

5–15

10

100

100–2500

750

5

17,5×15×6

T20

10–40

1500

4–6

17,5×16×6,5

T25

25–100

25

150

1000

7–10

21,5×19×7

T40

25–140

10–14

23×20×9

T50

50–400

50

400

4000

25

36,5×22×8,5

T55

80–600

40

36,5×27×9

T71

30–500

40

600

40

36,5×26×14

T80

200–1000

100

500

5000

45

42×34×11

T125

200–1400

50

60×32×19

T130

100–1500

4000

60

48,5×34×19

T200

300–1000

120

400

70

60×38×14

T250

500–2600

200

500

100–1000

150

70×57×20

T270

1000–10000

700

1000

50–1000

300

110×47×22

T500

500–5000

200

700

80–1000

400

100×75×20

T541

250–2100

150

500

100–1000

90

61×43×24

T551

500–3500

150

700

80–1000

200

73,5×65,5×21,5

T564

1800–7500

800

1000

50–2000

500

82,5×77,5×30

T1000

1000–10000

1000

500–1000

120×77,5×27,5

T5000

5000–20000

20–300

2000–3000

205×125×40

Отличительные особенности всех устройств Payton:

  • диапазон рабочих частот от 20 кГц до 2,5 МГц;
  • вес приблизительно 10 г на 100 Вт;
  • типовое значение КПД 98–99%;
  • индуктивность рассеяния менее 0,2% для сердечника с зазором;
  • минимальный уровень электромагнитных помех;
  • диапазон рабочих температур –55…+150 °C (для высоконадежных применений);
  • диапазон мощностей 5 Вт – 25 кВт на каждое устройство при малых габаритах (используются от одной до семи обмоток);
  • напряжение изоляции между первичной и вторичной обмотками до 5 кВ;
  • превосходные тепловые характеристики;
  • подходят для различных топологий импульсных ИП (мосты, полумосты, двухтактные, обратноходовые, повышающие, понижающие, резонансные).

Маломощные низкопрофильные семейства трансформаторов типоразмеров от Т14 до Т40 предназначены, прежде всего, для применения в телекоммуникационном оборудовании и DC/DC-преобразователях. Это компактные устройства с максимальным рабочим током 25 А и диэлектрической прочностью изоляции между обмотками не более 1500 В. Устройства средней и большой мощности (начиная с Т50), позиционируемые для высоковольтных устройств, обладают повышенными показателями рабочих токов и напряжений, напряжение пробоя между обмотками достигает 5 кВ. Серия Т5000, являющаяся старшим представителем семейств планарных трансформаторов, отличается самым низким тепловым сопротивлением (таблица 3).

Таблица 3. Тепловое сопротивление трансформаторов Т5000 в зависимости от типа охлаждения

Тип охлаждения

Естественное

Принудительное воздушное (3 м/с)

Радиатор с одной стороны

Радиатор с двух сторон

Тепловое сопротивление, °С/Вт

1,7

1,3

1,6

0,8

Помимо заказных изделий, компания Payton предлагает типовые решения, рассчитанные на стандартные входные и выходные напряжения (таблица 4). Они также обладают высоким КПД в широком диапазоне рабочих частот (рис. 6), низким уровнем электромагнитных шумов и предназначены для применения в устройствах с жесткими требованиями к габаритам. Корпусное исполнение подходит для поверхностного монтажа (рис. 7). Трансформаторы 50430/1/2/3/4 с входным диапазоном 36–75 В содержат 12 витков первичной обмотки и от 2 до 10 во вторичной, величина емкости между обмотками составляет 130–150 пФ. В зависимости от конкретного изделия выходные напряжения принимают значения 3,3, 5, 8, 10, 12, 15, 16 и 18 В, максимальный рабочий ток не превышает 12 А.

Эффективность типовых трансформаторов Payton на примере серии 5043х

Рис. 6. Эффективность типовых трансформаторов Payton на примере серии 5043х

Таблица 4. Основные характеристики типовых планарных трансформаторов Payton

Наименование

Диапазон входных напряжений, В

Выходные напряжения, В

Мощность, Вт

Диапазон рабочих частот, кГц

Диэлектрическая прочность, В (rms)

Индуктивность рассеяния, мкГн (макс.)

Размеры, мм (макс.)

50430/1/2/3/4

36–75

3,3; 5; 8; 10; 12; 15; 16; 18

40

400–1000

1800

0,5

18,8×15,2×6,6

50465/6/7/8/9

18–36

1,2; 1,5; 2,5; 3,3; 5; 8; 10; 12; 15; 16; 18

100

300–500

0,1–0,15

23,5×21,1×7,4

50460/1/2/3/4

36–75

0,25–0,8

23,5×20,1×7,4

50807

18–36

9

0,15

23,5×21,1×7,4

755000/1/2/3

18–36

2,5; 3,5; 5, 7

350

200–400

1500

0,06–0,27

30×25×14,5

755004/5/6/7

36–72

2,1; 3,5; 6,5

0,15–0,55

Внешний вид типовых планарных трансформаторов Payton

Рис. 7. Внешний вид типовых планарных трансформаторов Payton

Устройства 50465/6/7/8/9 рассчитаны на более низкий диапазон входных напряжений 18–36 В. В этом ряду нужно отметить планарный трансформатор 50465 с коэффициентом трансформации 6:1:1, отличающийся наличием двух вторичных обмоток и сопротивлением по постоянному току не более 0,5 мОм. Максимальная величина емкости между первичной и вторичной обмотками не превышает 250 пФ. Отличительной чертой остальных представителей серии 5046х являются входные напряжения от 36 до 75 В и количество витков в первичной обмотке, увеличенное до 12. Серия 75500х характеризуется очень низким уровнем индуктивности рассеяния (от 0,06 мкГн), каждый компонент имеет несколько вариантов корпусного исполнения.

 

Заключение

Широкое распространение планарных компонентов связано с очевидными преимуществами их применения при решении разно­образных задач. Высокий КПД наряду с малыми габаритными размерами, превосходные тепловые характеристики, широкий диапазон мощностей, стабильность технических характеристик — все это привлекает производителей силовых ИП, систем индукционного нагрева, сварочных аппаратов и т. д. Тенденция удешевления производства многослойных ПП делает планарные трансформаторы все более доступными и позволяет сделать вывод, что их доля на рынке электромагнитных компонентов в дальнейшем будет только увеличиваться.

Литература
  1. Шихов С. Планарные трансформаторы на основе многослойных печатных плат // Компоненты и технологии. № 6.
  2. Application note. Using planar transformers in soft switching DC/DC power converters.
  3. Клестова Н. Применение планарных трансформаторов на основе многослойных печатных плат // Технологии в электронной промышленности. 2006. № 4.
  4. Слабухин А. Планарные устройства компании Payton. // Силовая электроника. 2005. № 2.
  5. Ben-Yaakov S. The benefits of planar magnetic in HF power conversion.
  6. Products catalogue. Planar transformers. 2015. paytongroup.com/Payton_Full_Catalog

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.