Çalan Transformatör: Rezonans Bir Bobini Nasıl Yüksek Verimli Bir Güç Dönüştürücüye Dönüştürür?

Sade bir dille bu nedir?

Çoğu transformatör "sessizdir": gerilimi sabit bir frekansta yükseltir veya azaltırlar. Bir rezonans transformatörü farklıdır; siz ona vurduktan sonra çalmaya devam eden bir zile benzer şekilde, kasıtlı olarak salınımlı bir devreye yerleştirilmiştir. Sargıların karşısına veya seri halinde bir kapasitör yerleştirildiğinde, transformatör ve kapasitör, enerjiyi doğal bir frekansta ileri geri sallayan ayarlanmış bir "tank" oluşturur. Bu tek numara, hem muhteşem yüksek voltajın hem de rekor kıran verimliliğin kilidini açar.

İlke, iki tatta

Klasik yüksek voltaj rezonans transformatörleri (Tesla bobini, araba ateşleme bobini, eski LCD ekranlardaki arka ışık transformatörü) voltajı çoğaltmak için rezonans kullanır. Enerji her döngüde tanka pompalanır, böylece voltaj tek başına dönüş oranının verebileceğinin çok üstüne çıkar.

İkinci çeşit ise modern güç kaynaklarında bulunan LLC rezonans dönüştürücü transformatördür . Burada transformatörün kendi kaçak endüktansı (Lr) ve mıknatıslama endüktansı (Lm) , bir rezonans kapasitörü (Cr) ile birlikte LLC tankını oluşturur. Anahtarlama frekansı, çıkışı ayarlamak için tankın iki doğal frekansı - fr1 = 1 / (2π√(Lr·Cr)) ve fr2 = 1 / (2π√((Lr+Lm)·Cr)) - etrafında kaydırılır.

Uygulama örneği: EV yerleşik şarj cihazı

Elektrikli araç yerleşik şarj cihazında veya sunucu güç kaynağında, LLC aşaması, tipik üretici ve uygulama notlarına göre rutin olarak %96'nın üzerinde verimliliğe (genellikle %97-98) ulaşır. Sihir yumuşak anahtarlamadır : tank, anahtar voltajını ve akımını sıfıra zorladığından, MOSFET'ler sıfır voltajla (ZVS) açılır ve doğrultucu diyotlar sıfır akımla (ZCS) kapanır. Neredeyse hiç örtüşme kaybı olmadan, dönüştürücü çok küçük manyetikler kullanarak 100 kHz–1 MHz'de çalışabilir.

Mühendislik uyarıları

LLC için transformatör artık "sadece bir oran" değil. Lr'sini (sargı aralığı, hava boşluğu veya şönt ayağı yoluyla) ve Lm'sini tasarlamanız gerekir. Endüktans oranı k = Lm / Lr (pratik tasarımlarda genellikle 3–7) kazanç aralığını belirler: küçük bir k, geniş kazanç sağlar ancak daha yüksek mıknatıslanma kaybı sağlar; büyük k daha verimlidir ancak daha dardır. Bileşen toleransı önemlidir - Lr veya Cr'deki yüzde birkaç sapma çalışma noktasını değiştirir.

Yaygın yanılgı

"Rezonans, enerjiyi boşa harcaması gereken karmaşık bir hobi cihazı anlamına gelir." Yanlış. Yumuşak anahtarlama, fiziksel anahtarlamalı tasarımlara kıyasla anahtarlama kaybını %60 veya daha fazla azaltır ; bu nedenle LLC, verimli şarj cihazlarında ve veri merkezi kaynaklarında baskın topolojidir.

Eğlenceli gerçek

Bir Tesla bobini, kelimenin tam anlamıyla, ikincil kendi başıboş kapasitansı ile rezonansa giren rezonans hava çekirdekli bir transformatördür. Ve bir LLC'de dönüş oranı çoğunlukla voltaj kazancını belirler; asıl iş, sızıntı ve mıknatıslanma endüktansı tarafından yapılır. Bu cihazların güvenliği IEC 61558-1'e (genel) ve anahtarlamalı tipler için IEC 61558-2-16'ya uygundur.