고주파 변압기의 온도 상승 원인은 무엇입니까?

온도 상승은 스위칭 전원 공급 장치용 고주파 변압기를 평가할 때 가장 중요한 열 지표 중 하나입니다. 변압기는 전기 테스트 중에 전압, 전류 및 절연 요구 사항을 충족할 수 있지만 과도한 온도 상승은 여전히 ​​효율성을 감소시키고 절연 수명을 단축하며 연속-사용 애플리케이션에서 신뢰성 문제를 일으킬 수 있습니다.

엔지니어와 구매팀의 경우 핵심 질문은 단순히"변압기는 얼마나 뜨거워지나요?"열이 발생하는 곳과 이를 담당하는 설계 매개변수가 무엇인지에 따라 결정됩니다.

실제 스위칭 전원 공급 장치 변압기에서 온도 상승은 주로 철손, 권선 손실, 작동 주파수, 전류 밀도, 열저항, 권선 구조 및 주변 작동 조건과 관련됩니다.

1. 코어 손실은 주요 열원 중 하나입니다.

자기 코어는 고주파수 작동 중에 지속적으로 자속 변화를 경험합니다.- 따라서 전기 에너지의 일부는 코어 내부에서 열로 변환됩니다.

코어 손실은 일반적으로 두 가지 주요 메커니즘과 연관되어 있습니다.

히스테리시스 손실

와전류 손실

스위칭 주파수가 증가하면 코어 손실이 중요한 열 요인이 될 수 있습니다. 코어 재료, 자속 밀도, 파형 및 온도도 실제 손실에 영향을 주기 때문에 관계는 단순히 주파수에 비례하지 않습니다.

더 높은 주파수에서 작동하는 변압기의 경우 변압기 코어 선택이 특히 중요합니다.

더 낮은 주파수 작동에 적합한 코어 재료를 사용한다고 해서 반드시 더 높은 스위칭 주파수에서 허용 가능한 성능을 제공한다는 의미는 아닙니다.

심부 온도를 높일 수 있는 것은 무엇입니까?

여러 매개변수가 코어 손실을 증가시킬 수 있습니다.

과도한 자속 밀도

더 높은 스위칭 주파수

부적합한 코어 재료

높은 작동 온도

잘못된 기본 회전 수

비이상적인 자기 파형-

이것이 바로 변압기 설계가 전력 및 전압 비율에만 기초할 수 없는 이유입니다. 자기 동작점도 고려해야 합니다.

2. 구리 손실로 인해 권선 온도가 상승합니다.

두 번째 주요 열원은 권선 손실입니다.

기본 DC 구리 손실은 다음과 같이 표현될 수 있습니다.

Pcu=I²R

어디:

Pcu=구리 손실

나는=권선 전류

R=권선 저항

전류가 증가함에 따라 구리 손실이 급격히 증가하기 때문에 이 관계는 특히 중요합니다.

예를 들어, 권선 전류가 20% 증가하면 저항이 변하지 않는다고 가정할 때 이론적 I²R 손실은 약 44% 증가합니다.

따라서 하나의 부하 수준에서 편안하게 작동하는 권선은 변압기가 최대 정격 전력에 가깝게 작동할 때 상당히 더 큰 온도 상승을 경험할 수 있습니다.

3. 높은-주파수 전류로 인해 추가 권선 손실 발생

고주파 변압기의 경우 DC 저항만 계산하는 것만으로는 충분하지 않습니다.

스위칭 주파수가 높을수록 도체 내부의 전류 분포는 다음과 같은 이유로 -균일하지 않게 됩니다.

피부 효과

근접 효과

AC 저항

표피 효과는 고주파 전류가 도체 전체 단면에 균일하게 분포되지 않고 도체의 외부 영역으로 집중되도록 합니다.-

근접 효과는 인접한 도체의 자기장이 권선 내 전류 분포를 변경할 때 발생합니다.

결과적으로 유효 AC 저항은 DC 저항보다 높을 수 있습니다.

즉, 단순히 구리 단면적을 늘리는 것만으로-고주파 열 문제가 항상 해결되는 것은 아닙니다.- 권선 구조와 도체 배열도 중요합니다.

4. 전류 밀도는 열 성능에 직접적인 영향을 미칩니다

전류 밀도는 또 다른 중요한 설계 매개변수입니다.

유효 단면적이 부족한 도체를 통해 너무 많은 전류가 흐르면 권선에서 더 많은 열이 발생합니다.

맞춤형 변압기의 경우 설계자는 다음 사항의 균형을 맞춰야 합니다.

전류 → 도체 크기 → 권선 공간 → 구리 손실 → 온도 상승

도체 크기를 늘리면 저항과 구리 손실을 줄일 수 있지만 자기 코어의 사용 가능한 창 영역은 제한됩니다.

이로 인해 실용적인 디자인 상충관계가 발생합니다-.

따라서 변압기 제조업체는 필요한 전류뿐만 아니라 다음 사항도 고려해야 합니다.

1차 전류

2차 전류

와이어 직경

병렬 와이어 수

와인딩 레이어

사용 가능한 와인딩 창

단열재 두께

권선 배열

이는 사용 가능한 권선 공간이 제한된 소형 스위칭 전원 공급 장치 변압기에 특히 중요합니다.

5. 변압기 크기는 열 방출에 영향을 미칩니다.

발열은 열 문제의 절반에 불과합니다.

나머지 절반은 변압기가 얼마나 효율적으로 열을 방출할 수 있는지입니다.

전기 손실이 동일한 변압기라도 물리적 구조에 따라 온도{0}}상승 성능이 매우 다를 수 있습니다.

중요한 요소는 다음과 같습니다:

코어 표면적

보빈 치수

권취 표면적

캡슐화 재료

장착 방법

PCB 레이아웃

기류

주변 온도

소형 변압기는 전기적 성능이 뛰어나지만 열 방출에 사용할 수 있는 표면적이 적습니다.

이는 소형화가 단순히 기존 변압기의 물리적 크기를 줄이는 것으로 간주되어서는 안 되는 이유 중 하나입니다.

6. 절연 및 캡슐화 재료도 열 성능에 영향을 미칩니다

권선을 둘러싼 재료는 열이 구리에서 멀리 이동하는 경로에 영향을 미칩니다.

일부 변압기 구조에서는 절연재, 테이프, 보빈 또는 포팅 컴파운드가 추가적인 열 저항을 생성합니다.

지속적인 작동을 위해 설계된 전자 변압기의 경우 제조업체는 전기 절연과 열 전달을 모두 고려해야 합니다.

다음과 같은 경우에는 -절충점이 있습니다.

유전체 절연

연면거리 및 공간거리

기계적 보호

열전도율

사용 가능한 권선 공간

탁월한 전기 절연을 제공하지만 열 전달을 제한하는 설계에는 추가적인 열 고려 사항이 필요할 수 있습니다.

7. 작동 주파수는 열 설계 매개변수입니다.

주파수는 코어 손실과 권선 손실 모두에 영향을 미치므로 변압기 온도 상승을 평가할 때 고려해야 합니다.

스위칭 주파수를 높이면 일부 설계에서 더 작은 자기 코어와 더 적은 회전수를 허용할 수 있습니다. 그러나 이것이 더 높은 주파수가 자동으로 더 차가운 변압기를 생성한다는 것을 의미하지는 않습니다.

더 높은 주파수에서 설계자는 다음과 같은 상황에 직면할 수 있습니다.

코어 손실 증가

AC 구리 손실 증가

더 큰 피부 효과

근접효과 강화

더 높은 기생 용량

더욱 어려워진 EMI 제어

따라서 최적의 스위칭 주파수는 단순한 '높을수록 좋다'는 선택이 아니라 시스템{0}}수준 설계 결정입니다.

8. 부하 조건은 온도 상승에 큰 영향을 미칩니다

30% 부하에서 작동하는 변압기와 100% 부하에서 지속적으로 작동하는 변압기는 동일한 열적 거동을 가질 것으로 예상해서는 안 됩니다.

전원 공급 장치 애플리케이션의 경우 온도 테스트에서는 다음을 포함한 실제 작동 조건을 고려해야 합니다.

따라서 OEM 애플리케이션의 경우 변압기가 정격 부하에서 지속적으로 작동할지 간헐적 부하에서 작동할지 지정하는 것이 유용합니다.

9. 주변 온도에 따라 사용 가능한 열 마진이 변경됩니다.

온도 상승은 주변 온도와 독립적으로 고려되어서는 안 됩니다.

예를 들어, 변압기의 온도가 50도 상승하고 주변 환경 25도에서 작동하는 경우 대략적인 권선 또는 표면 온도는 다음과 같을 수 있습니다.

25도 + 50도=75도

동일한 변압기가 50도 주변 환경에서 작동하는 경우 해당 온도는 다음과 같을 수 있습니다.

50도 + 50도=100도

온도 상승 자체는 비슷할 수 있지만 절대 작동 온도는 매우 다릅니다.

이는 내부에 설치된 장비의 경우 특히 중요합니다.

산업용 제어 캐비닛

EV 충전 장비

PV 인버터

에너지 저장 시스템

자동차 전자

의료용 전원 공급 장치

밀폐형 가전제품

이러한 애플리케이션의 경우 변압기는 실험실 온도만 사용하기보다는 실제 주변 및 인클로저 조건에 따라 평가해야 합니다.

10. 와인딩 배열은 상당한 차이를 만들 수 있습니다.

권선 구조는 전기 성능과 열 동작 모두에 영향을 미칩니다.

예를 들어, 다양한 권선 배열이 변경될 수 있습니다.

누설 인덕턴스

감겨진 용량

AC 저항

열전달

절연거리

사용 가능한 구리 면적

잘못 배열된 권선은 평균 변압기 온도가 허용 가능한 것처럼 보일 때에도 로컬 핫스팟을 생성할 수 있습니다.

따라서 맞춤형 고주파 변압기의 경우 권선 구조를 전기적 요구 사항과 함께 고려해야 합니다.

응용 분야에 따라 제조업체는 다음을 평가할 수 있습니다.

레이어 와인딩

단면 권선

병렬 도체

리츠와이어

기본/보조 배치

인터리브 권선

단열 시스템

적절한 솔루션은 작동 주파수, 전류, 전압, 절연 요구 사항 및 물리적 제약 사항에 따라 달라집니다.

11. 제조업체가 온도 상승을 제어하는 ​​방법

신뢰할 수 있는 고주파 변압기 제조업체는 단일 매개변수로 온도 상승을 해결하지 않습니다.

열 성능은 일반적으로 여러 설계 결정을 통해 해결됩니다.

핵심 선택

작동 주파수, 전력 및 자속 밀도에 적합한 자성 재료와 코어 크기를 선택하십시오.

기본 턴

1차 권선 수는 실제 입력-전압 및 스위칭 조건에서 적절한 자속 밀도를 유지해야 합니다.

권선 디자인

DC 저항뿐만 아니라 RMS 전류 및 고주파수 효과에 따라 도체 크기와 권선 구성을 선택하세요.{0}}

손실 최적화

적절한 재료 선택과 권선 구성을 통해 불필요한 코어 및 구리 손실을 줄입니다.

열 경로

열이 코어와 권선에서 보빈, PCB, 인클로저 및 주변 공기로 어떻게 이동하는지 고려하십시오.

영업이익률

이론적 한계에서 정확하게 설계하면 입력 전압, 부하, 주변 온도, 제조 공차 및 실제 애플리케이션 조건의 변화에 ​​대한 여지가 거의 없습니다.

12. 온도 상승은 현실적인 조건에서 테스트되어야 합니다.

OEM 및 산업용 애플리케이션의 경우 이론적인 계산은 실제 테스트를 통해 뒷받침되어야 합니다.

일반적인 평가에는 다음이 포함될 수 있습니다.

지정된 입력 전압에서 변압기를 작동합니다.

필요한 스위칭 주파수를 적용합니다.

2차측을 지정된 출력 전력으로 로드합니다.

변압기가 열평형에 도달하도록 허용합니다.

권선, 코어 또는 표면 온도를 측정합니다.

측정된 온도를 지정된 열 한계와 비교합니다.

테스트 설정이 중요합니다.

예를 들어, 개방형 실험실 설비에 장착된 변압기는 소형 PCB 어셈블리 내부에 설치된 동일한 변압기와 다르게 열을 발산할 수 있습니다.

그렇기 때문에 고객은 가능할 때마다 실제 적용 조건을 제조업체에 제공해야 합니다.

13. 구매자는 열 설계에 대해 어떤 정보를 제공해야 합니까?

맞춤형 변압기 제조업체에 고주파 변압기 개발을 요청할 때 구매자는 입력 및 출력 전압 이상의 것을 제공해야 합니다.

다음 정보는 열 설계를 크게 향상시킬 수 있습니다.

이 정보를 통해 제조업체는 변압기를 절연된 자기 구성 요소로 취급하지 않고 완전한 전력 변환 시스템의 일부로 평가할 수 있습니다.{0}}

14. 온도 상승은 단순한 테스트 결과가 아닌 설계 균형입니다.

저온-상승 결과는 가치가 있지만 독립적으로 평가해서는 안 됩니다.

고주파 변압기의 경우 열 성능은 다음과 밀접하게 연관되어 있습니다.

철손 + 구리 손실 + 스위칭 주파수 + 전류 밀도 + 권선 구성 + 방열 + 작동 환경

하나의 매개변수를 변경하면 여러 다른 매개변수에 영향을 미칠 수 있습니다.

예를 들어, 스위칭 주파수를 높이면 코어 크기가 더 작아질 수 있지만 결과적으로 코어 및 AC 권선 손실이 증가하면 새로운 열 문제가 발생할 수 있습니다.

마찬가지로 더 두꺼운 와이어를 사용하면 DC 저항이 줄어들 수 있지만 권선 공간 요구 사항이 늘어나거나 기생 특성에 영향을 줄 수 있습니다.

따라서 목표는 단순히 변압기를 "냉각"시키는 것이 아닙니다. 목표는 실제 적용을 위해 균형 잡힌 자기, 전기, 열 및 절연 설계를 달성하는 것입니다.

결론

고주파 변압기의 온도 상승은 주로 자기 코어 손실과 권선 손실로 인해 발생하지만 최종 열 성능은 이 두 가지 요소보다 훨씬 더 많은 영향을 받습니다.

코어 재료, 자속 밀도, 스위칭 주파수, 도체 선택, 권선 구조, 전류 밀도, 변압기 크기, 절연 시스템, 주변 온도, 공기 흐름 및 부하 프로필 모두가 최종 작동 온도에 영향을 미칩니다.

스위칭 전원 공급 장치 애플리케이션의 경우 가장 좋은 접근 방식은 프로토타입이 완료된 후 열 문제를 해결하려고 하기보다는 변압기 설계 단계에서 온도 상승을 평가하는 것입니다.

맞춤형 고주파 변압기 제조업체와 협력할 때 완벽한 전기 및 작동 조건을 제공하면 변압기 설계를 전압 및 전력뿐만 아니라 장기적인 열 안정성에도 최적화할 수 있습니다.-