Planartransformatoren sind für die Entwicklung von DC/DC-Wandlern von Vorteil

Planar- und Ringkerntransformatoren: Was ist der Unterschied?

Der Transformator ist das Herzstück eines jeden DC/DC-Wandlers und die wichtigste Komponente, welche die Gesamtleistung bestimmt.

Traditionell stellen Transformatoren und Induktoren gewickelte Komponenten dar. Die meisten in Massenproduktion hergestellten DC/DC-Wandler mit geringer Leistung verwenden handgewickelte Ringkerntransformatoren. Es ist äußerst schwierig, ein automatisches Herstellungsverfahren für einen Transformator zu entwickeln, der bis zu sechs getrennte Wicklungen mit einem Kerndurchmesser von nur 6 mm und einem Loch von 3 mm benötigt. Hersteller wie RECOM haben Wickelmaschinen entwickelt, um solche winzigen Ringkerntransformatoren automatisch herzustellen.

Planare Magnete gibt es seit den 1980er Jahren, aber der Herstellungsprozess war zunächst unerschwinglich teuer, so dass Planartransformatoren außerhalb von Spezialanwendungen nur eine begrenzte Marktdurchdringung hatten. Mit den Fortschritten in der Herstellungstechnologie sind die Kosten für Planartransformatoren jedoch gesunken, was die Entwicklung neuer Anwendungen ermöglicht hat.

Konstruktion und Design von Planartransformatoren

Ein Planartransformator oder eine Drosselspule verwendet die Kupferschichten einer mehrlagigen Leiterplatte (PCB), um die Windungen zu bilden; ein Ferritkern umgibt die Windungen, wie in Abbildung 1 dargestellt. Um die erforderliche Anzahl von Windungen herzustellen, werden versteckte Durchkontaktierungen verwendet, um Verbindungen von einer Leiterplattenschicht zur nächsten herzustellen. Mehrere parallel geschaltete Durchkontaktierungen können genügend Strom leiten, um einen nützlichen Miniatur-Leistungstransformator herzustellen.

Abbildung 2 zeigt, wie eine Wicklung mit sechs Windungen durch Stapeln von zwei Lagen gebildet werden kann, die mit einem versteckten Durchgang verbunden sind. Beachten Sie, dass bei dieser Anordnung die beiden Enden der Wicklung bequem außerhalb des Ferritkerns liegen. Die Primär- und Sekundärwicklungen sind in der Regel ineinander verschachtelt, um die Streuinduktivität zu verringern.

Die Verwendung einer PCB ergibt eine mechanisch stabile Wicklungsstruktur, die extrem konsistent ist und sich für eine automatisierte Produktion eignet. Dank des Fortschritts in der Mehrlagen-PCB-Konstruktion kann die Epoxidisolierung zwischen den Wicklungen hohen Isolationsspannungen zwischen Primär- und Sekundärkreisen standhalten.

Das planare Design bringt einige Herausforderungen für die Design- und Fertigungsteams mit sich. Die Schwierigkeit, mehrere Leiterbahnen auf einer mehrlagigen PCB zu verlegen, bedeutet, dass planare Transformatoren am besten für DC/DC-Wandlertopologien geeignet sind, die keine komplizierten Transformatoren erfordern; eine Halfbridge-topologie ist eine beliebte Wahl.

Dennoch gibt es eine praktische und eine Kosten-Grenze für die Anzahl der Schichten, die verwendet werden können. Daher verwenden planare Magnete Hochfrequenz-PWM-Modulatoren und Treiberschaltungen, um die Anzahl der benötigten Windungen und Schichten zu reduzieren. Der durch diese höheren Frequenzen verursachte Skin-Effekt ist das hauptsächliche Problem. Die Ladungsträger wandern mit zunehmender Frequenz mehr und mehr zur Oberfläche eines Leiters, wodurch sein effektiver Querschnitt verringert und die I²R-Verluste erhöht werden. Das flache (rechteckige) Design der Leiter kann diesen Skin-Effekt ausgleichen.

Die Mehrschichtkonstruktion hat eine hohe Kopplungskapazität, was die Hochfrequenz-PWM-Steuerung erschwert. Die Kopplung zwischen dem Planartransformator und der zugehörigen konventionellen Schaltung muss sorgfältig gesteuert werden, um Terminationsverluste zu vermeiden. Die Nähe des Kernzwischenraums und der Lagenwicklung kann zu erheblichen Wirbelstromverlusten führen, und aufgrund der unterschiedlichen Verhältnisse der Windungszahlen muss für jede Eingangs-/Ausgangskombination eine eigene PCB entworfen und getestet werden.

Sobald diese Probleme gelöst sind, ermöglicht die Planartechnologie die Konstruktion eines flachen Transformators, der große Mengen an Leistung übertragen kann und dem DC/DC-Wandler ein sehr niedriges Höhenprofil ermöglicht: Der 100W-Wandler in Abbildung 1 hat eine Bauhöhe von nur 11mm (0,4“)!

Weitere Vorteile planarer Designs sind eine bessere Wärmeableitung in den Wicklungen, ein Design mit hoher Dichte, eine geringe Streuinduktivität und eine höhere Leistungsdichte.

Planartransformatoren für niedrigere Leistungsstufen

Die oben beschriebenen Vorteile machen den Planartransformator zu einer unverzichtbaren Komponente in der Hochleistungs-DC/DC-Wandlertechnologie, aber RECOM setzt die Planartechnologie jetzt auch in kleineren Wandlern mit geringerer Leistung ein.

Abbildung 3 zeigt den externen und internen Aufbau der regulierten DC/DC-Serie RS12-Z. Dieses Produkt verwendet eine mehrlagige PCB mit Durchgangslöchern, vergrabenen und blinden Durchkontaktierungen, um ein branchenführendes 12W-Bauteil in einem sehr kompakten SIP-Gehäuse mit einer um 150% verbesserten Leistungsdichte im Vergleich zu konkurrierenden SIP8-Produkten herzustellen.

Diese geregelten Designs enthielten einen integrierten Schaltkreis sowohl auf der Primär- als auch auf der Sekundärseite des Transformators. Der IC auf der Primärseite ist ein Push-Pull-Transformator-Treiber mit breitem Eingang. Die Ausgangsseite (Sekundärseite) verfügt über eine synchrone Buck-Stufe für eine genaue Lastregelung.

Sogar 1W und 2W DC/DC-Designs sind in der Entwicklung, beginnend mit zwei Produktfamilien. Die DC/DC-Wandler der Serie RKK bedienen den industriellen Markt mit einer sehr hohen Isolation von 4kVDC/1s. Das Standardmerkmal ist der erweiterte Betriebstemperaturbereich, der -40°C bis +105°C ohne Derating abdeckt. Die Stromversorgungen sind nach IEC/EN/UL62368-1 zertifiziert und eignen sich für IGBT-Treiberanwendungen.

Der DC/DC-Wandler der Serie RYK ist ein preiswerter, isolierter Allzweck-Wandler mit einem eingebauten Linearregler, der einen geregelten, lastunabhängigen Ausgang bietet.

Der Wechsel zu einem Planartransformator verbessert die Qualität dieser Designs, da er einen stärker automatisierten Herstellungsprozess mit weniger manueller Montage ermöglicht. Es ist auch einfacher, kundenspezifische Designs zu entwickeln, da es nicht notwendig ist, die Wicklungen des Transformators zu ändern, um unterschiedliche Spannungen zu erzeugen.

Der Planartransformator ist eine Technologie, deren Zeit gekommen ist, und RECOM macht das Beste daraus, indem er Planartransformatoren in seine DC/DC-Wandler-Produktlinie aufnimmt.