تقاضای روزافزون برای بازدهی بالاتر و ابعاد کوچکتر یک انگیزه مضاعف برای پیشرفت در زمینه توپولوژی های مبدلهای سوئیچینگ از جمله باک، بوست، فلای بک، فوروارد و … بوده است. الزامات مربوط به کوچک کردن ادوات الکترونیک قدرت همراه با تقاضا برای چگالی توان بیشتر از طریق روشهای نوآورانه محقق می شود.
توپولوژیهای سنتی مبتی بر کلیدهای MOSFET از طریق توسعه کلیدهایی که برای کار با تلفات سوئیچینگ کمتر در فرکانسهای بالاتر طراحی شده اند به این خواسته ها پاسخ داده است. طی چند سال گذشته ، ظهور کلیدهای با باند پهن (WBG) که قادر به کار در فرکانس های کلیدزنی بالاتر هستند، حرکت به سمت راندمان بالاتر و بسته بندی کوچکتر را تسریع کرده است. ادوات مغناطیسی پلانار (مسطح) جایگزین ترانسفورماتورها و سلف های سنتی در برخی از این کاربردهای با فرکانس بالاتر شده اند.
این پست به دو سوال در این زمینه پاسخ کوتاهی ارائه می دهد: تفاوت بین ادوات مغناطیسی سنتی و پلانار چیست؟ چگونه ادوات مغناطیسی مناسب را برای کاربرد خود انتخاب و استفاده کنیم؟
ترانسفورماتورهای پلانار و ترانسفورماتورهای سوئیچینگ عادی
یک ترانسفورماتور سوئیچینگ سنتی (شکل ۱) شامل سیم پیچهای اولیه و ثانویه است که روی یک بوبین و هسته فریت پیچیده شده است. برای جداسازی سیم پیچ ها از عایق سیم و نوار استفاده می شود. بوبین و پیکربندی هسته توسط توپولوژی مدار تعیین می شود.
فرکانس های بالاتر = ادوات مغناطیسی کوچکتر؟
اثر مرتبه اول افزایش فرکانس کلیدزنی ، کاهش اندوکتانس ادوات مغناطیسی است. با افزایش فرکانس تا چند صد کیلو هرتز و محدوده مگاهرتز، عوامل دیگری ظاهر می شوند که می توانند بر مزایای کاهش اندازه ادوات مغناطیسی در اثر کاهش اندوکتاس، تأثیر بگذارند.
اثر پوستی در این حالت از اهمیت بسزایی برخوردار است. اثر پوستی تمایل جریان الکتریکی متناوب (AC) برای توزیع در به سمت پوسته هادی است و بدین ترتیب سطح مقطع موثر جریان عبوری کاهش مییابد. از آنجا که مقاومت تابعی از سطح مقطع هادی است، نتیجه اثر پوستی مقاومت بیشتر در فرکانس های بالاتر است.
این موضوع را می توان در هنگام استفاده از ترانسفورماتور سیمپیچی شده با افزایش قطر هادی حل کرد. راه دیگر این است که چندین سیم کوچک تر را به صورت لیتز استفاده کنیم. هر دو روش، ظرفیت رسانایی بیشتری را اضافه می کنند، اما بر حجم سیم پیچ ها نیز می افزایند. این کار، به نوبه خود، می تواند منجر به افزایش اندازه هسته شود که منجر به تلفات بیشتر هسته می شود. سیم پیچ های ترانسفورماتور پلانار، متشکل از ترکهای نازک مسی بر روی PCB است که کمتر مستعد اثر پوستی هستند.
مزایای ترانسفورماتور پلانار
تعداد دور در یک ترانسفورماتور پلانار از ترکهای روی PCB تشکیل شده است که تعداد دورهای ممکن را محدود می کند. در عین حال، سطح مقطع مغناطیسی بیشتر امکان تعداد دور کمتری را فراهم می کند و شکل مسطح مواد هسته مغناطیسی، مساحت بیشتری را برای اتلاف انرژی فراهم می کند.
طبیعت مدار چاپی سیم پیچ ها باعث ایجاد سازگاری بالایی در فاصله بین سیمپیچ ها و لایه ها می شود. در نتیجه، خازن بین سیمپیچها متقارن است و سیمپیچیهای متقابل (winding interleaving) باعث کاهش تلفات هدایتی جریان AC می شود. مانند سایر طرح های PCB، فاصله خزشی برای برآوردن الزامات خرابی دی الکتریک استفاده می شود. با در نظر گرفتن همه این موارد ، ترانسفورماتورهای پلانار بازدهی عالی و درجه تکرارپذیری بالایی را ارائه می دهند.
مزایای ترانسفورماتور سنتی
اگر نیاز به فرکانس های بالاتر نباشد، نیازی به استفاده از ترانسفورماتور پلانار نیست و ترانسفورماتورهای سوئیچینگ سنتی نیز پاسخگو است. با وجود تمام مزایای ظاهری ترانسفورماتورهای پلانار، ترانسفورماتورهای سنتی سیم پیچی شده هنوز هم مزایای مهمی را حتی در فرکانسهای کاری بالا ارائه می دهند. هستههای مغناطیسی مسطح مورد استفاده در ترانسهای پلانار نسبت به ترانسفورماتورهای سنتی بیشتر جای می گیرند. بنابراین ، در صورتی که اتلاف انرژی مورد توجه اصلی برای طراحی نباشد ، طراحان معمولاً از ترانسفورماتور استاندارد استفاده می کنند.
نویسنده: کوروش خلج منفرد
