FERYSTER® Sp. z o.o.

FERYSTER® Sposoby eliminacji zakłóceń elektromagnetycznych w transformatorach impulsowych

• Główna
• / Teoria
• / Sposoby eliminacji zakłóceń elektromagnetycznych w transformatorach impulsowych

Transformatory impulsowe są dziś powszechnie stosowane w zasilaczach wszelkich rozmiarów, o mocach od ułamków wata aż po dziesiątki kilowatów, postępująca zaś szybko technologia półprzewodnikowa pozwala im osiągać coraz to większe napięcia i szybkości przełączania. Wraz ze wzrostem zapotrzebowania na przekształtniki o bardzo dużych mocach, sięgających setek kilowatów, a nawet megawatów, zaczynają pojawiać się również rozwiązania określane jako transformatory półprzewodnikowe (SST – Solid-State Transformers) będącymi w istocie konwerterami AC-DC-DC-AC, gdzie część “DC-DC” zawiera transformator impulsowy na rdzeniu ferrytowym.

Ma to niepodważalne zalety, jak zmniejszenie rozmiaru czy zwiększenie sprawności, rodzi to jednak zupełnie nowe wyzwania których należy mieć świadomość. Jednym z najważniejszych jest problem z zakłóceniami elektromagnetycznymi, określanych angielskim skrótowcem EMI. Większość ludzi zderza się z nim po raz pierwszy starając się zrozumieć źródło nieprawidłowej pracy ich układu - włączające się bez widocznego powodu klucze (co niejednokrotnie skutkuje widowiskowymi efektami audio-wizualnymi), niestabilne napięcie wyjściowe, chaotyczne zachowanie zabezpieczenia nadprądowego czy… wściekły sąsiad krótkofalowiec, grożący że jeśli nie wyłączą ich urządzenia to on wyłączy ich samych... Największym jednak problemem który z tego wynika jest niedopuszczenie produktu do rynku, ze względu na niespełnianie wymogów obowiązujących na terenie UE wynikających z norm CISPR, IEC 61000 czy EN 50081, EN 55011 etc. Źródeł tych zakłóceń może być wiele, ale bardzo często zdarza się, że głównym winowajcą jest transformator.

W teorii transformator jest bardzo prostą maszyną elektryczną - ma uzwojenie pierwotne, uzwojenie wtórne i wspólny dla nich rdzeń zapewniający wysokie sprzężenie pomiędzy nimi:

O ile w transformatorach pracujących na 50 Hz taka definicja jest z punktu widzenia EMI bardzo bliska prawdzie, o tyle ze zwiększaniem częstotliwości model zaczyna się coraz bardziej komplikować:

Nie byłoby nieprawdą także gdyby dodać pasożytnicze pojemności pomiędzy każdymi dwoma elementami transformatora, rdzeń w to włączając, można by również dodać je pomiędzy warstwami uzwojenia w transformatorze czy nawet pojedynczymi zwojami… W czym konkretnie jednak one nam przeszkadzają? Otóż każda z indukcyjności pasożytniczych L1 do L4 zachowuje się jak antena nadawcza. Nadaje ona zarówno na częstotliwości pracy klucza, a ponieważ w większości przypadków klucz generuje przebieg prostokątny, to na nasze małe antenki podawane są także liczne harmoniczne. Pasożytnicze pojemności w transformatorze tworzą zaś z tymi indukcyjnościami obwody rezonansowe, generujace kolejne częstotliwości które są promieniowane i przewodzone na zewnątrz. W efekcie, wokół transformatora pojawia się coś takiego:

Istnieje jednak szereg sposobów i technik pozwalających znacząco zredukować te zakłócenia dzięki odpowiedniej konstrukcji transformatora i niektóre z nich chciałbym przybliżyć w tym artykule.

1. Umieszczenie “głośnego” toru prądu w głębi transformatora.

W układach przetwornic rozróżnia się obwody “ciche” czy też “czyste” oraz obwody “głośne”. Do tych pierwszych zaliczamy na przykład sprzężenie zwrotne lub wyjścia z różnych czujników. Do tych drugich między innymi wyprowadzenia i klucza i diody prostowniczej:

W tych obwodach płyną bardzo duże szybkozmienne prądy, dlatego zależy nam, żeby ich ścieżki były najkrótsze i schowane pod jak najgrubszą warstwą “ekranów”, chociażby w postaci kolejnych warstw uzwojenia.

2. Zmniejszenie indukcyjności rozproszenia.

Najprościej uzyskać to przez podział uzwojenia pierwotnego na dwie warstwy i umieszczenie pomiędzy nimi pozostałych uzwojeń, co potocznie nazywa się “kanapką”. Pozwala to uzyskać co najmniej dwukrotnie (a często nawet dziesięciokrotnie) niższą indukcyjność rozproszenia a to z kolei przekłada się na o tyle samo niższą energię oscylacji zakłóceniowych. Tak to wygląda schematycznie:

… a tak w rzeczywistości:

3. Zmniejszenie pojemności pasożytniczej pomiędzy uzwojeniami wiodącymi prądy szybkozmienne.

Ten efekt można uzyskać poprzez rozdzielenie od siebie fizycznie uzwojeń co realizuje się najczęściej na trzy sposoby:
- umieszczenie pomiędzy nimi dodatkowych warstw izolacji (często stosowane w transformatorach rezonansowych, gdzie związana z tym większa indukcyjność rozproszenia jest wykorzystywana do zwiększenia sprawności zasilacza),
- wykorzystanie drutów o grubszej izolacji (spotykane w transformatorach sterujących bramkami tranzystorów MOSFET lub IGBT gdzie zwiększona indukcyjność rozproszenia a zatem pogorszenie sprzężenia powoduje niedopuszczalnie odkształcenie przebiegów),
- umieszczenie dodatkowych warstw uzwojenia służących jako ekrany, przyłączonych do stabilnego potencjału, na przykład plusa zasilania, lub czasem do potencjału ochronnego. To drugie rozwiązanie jest jednak rzadziej spotykane ze względu na wynikające z niego komplikacje jeśli chodzi o zgodność z normami bezpieczeństwa. Ekrany wewnętrzne służą jednocześnie do “zamykania” zakłóceń promieniowanych wewnątrz transformatora przy czym wykonuje się je na dwa sposoby - albo jako jeden zwój taśmy miedzianej, co zapewnia lepsze ekranowanie ale jest czasochłonne a więc kosztowne, albo jako uzwojenie którego jeden koniec pozostaje niepodłączony, co nie wymaga zmiany w procesie nawijania, ale taki ekran jest “porowaty” ze względu grubość izolacji na użytym do jego wykonania drucie.

4. Zamknięcie zakłóceń pod zewnętrznym ekranem - tak zwany flux-band.

Flux-band wykonuje się w postaci jednego zwartego zwoju taśmy miedzianej którym owija się okno karkasu (obszar w którym umieszczone są uzwojenia) wraz z kolumnami rdzenia.

Flux-band elektrycznie przyłącza się tak samo jak ekrany wewnętrzne, ale tutaj również zgodność z normami bezpieczeństwa wprowadza pewne niuanse. Flux-band można umieścić bezpośrednio na nieizolowanym rdzeniu bądź można wykonać izolację pod nim separując go elektrycznie. Ponieważ małe transformatory są często zbyt małe aby zapewnić właściwy odstęp izolacyjny powierzchniowy do rdzenia (który wykonany jest ze spieku zawierającego żelazo, zatem traktowany jest jako część przewodząca), z punktu widzenia norm bezpieczeństwa traktowany jest on jako połączony elektrycznie z uzwojeniem dla którego wymóg odstępu nie jest spełniony (najczęściej jest to uzwojenie pierwotne - wysokonapięciowe). Wykorzystuje się to zatem i zakłada ekran bezpośrednio na rdzeń oraz łączy do potencjału o niskim dV/dt tak jak ekrany wewnętrzne, należy wtedy jednak zastosować na zewnątrz transformatora izolację zabezpieczającą te elementy:

5. Szczelina powietrzna w rdzeniu umieszczona tylko w kolumnie środkowej.

Szczelina powietrzna w rdzeniu transformatora jest bardzo dużym źródłem zakłóceń ze względu na efekt nazywany po angielsku “flux fringing”. Jest to zjawisko polegające na “wypychaniu” linii pola magnetycznego poza obszar szczeliny:

Dlatego też z punktu widzenia przeciwdziałania wpływowi tych zakłóceń optymalne jest ukrycie tej szczeliny pod warstwami uzwojeń i ekranów. Ma to jednak także minusy, ponieważ czym większa jest ta szczelina, tym silniejsze jest to zjawisko, więc niejednokrotnie w układach bardzo dużej mocy lub rezonansowych stanowi to znaczący problem ponieważ elementy przewodzące w pobliżu szczeliny, w tym uzwojenia, poddawane są działaniu podobnemu do nagrzewnicy indukcyjnej, co może prowadzić do ich lokalnego przegrzania i uszkodzenia izolacji.

Ale jaki te wszystkie zabiegi ma wpływ na rzeczywiste zachowanie transformatora?

Aby to sprawdzić użyłem zasilacza o którym była wcześniej mowa, rozebrałem jego transformator aby odtworzyć jego konstrukcję i przygotowałem zbliżoną konstrukcję, ale uzbrojoną w ekrany oraz podzielone uzwojenie pierwotne. Tak prezentował się transformator oryginalny:

A tak zbudowany jest w środku transformator “uzbrojony”:

Różnice są bardzo duże i część z nich powoduje niestety również negatywne efekty:

	Chiński	Feryster	Jednostka	Uwagi
Lp	955	927	µH	Nieco niższa indukcyjność uzwojenia pierwotnego ze względu na tolerancję wykonania szczeliny w rdzeniu +/- 10%
Llk	31	14,2	µH	Indukcyjność rozproszenia dwukrotnie niższa nawet pomimo występowania w konstrukcji transformatora pogarszających ten parametr znacząco ekranów.
SRF	705	647	KHz	Niższa częstotliwość rezonansu własnego wskazuje na większą pojemność pasożytniczą, jednak różnica ta jest zaskakująco mała biorąc pod uwagę to, że uzwojenia ekranujące są elektrycznie niemalże okładzinami kondensatora.
DCRNp	803	2270	mΩ	Znacznie większa rezystancja uzwojeń przekładająca się na proporcjonalnie większe straty w miedzi. Wymuszone było to koniecznością zwolnienia miejsca w oknie karkasu na dodatkowe uzwojenia oraz wprowadzenia nieistniejącego w oryginale marginesu bezpieczeństwa przy przeciążeniu. Jednak obliczenia wykazały że straty w uzwojeniach dla takiej konfiguracji będą wynosiły około 210 mW co stanowi zaledwie 1,7% mocy nominalnej transformatora.
DCRNs	430	1640	mΩ
DCRNb	282	187	mΩ

Także jeśli chodzi o koszt wyprodukowania transformatora różnica pomiędzy prostym a w pełni “wyposażonym” wynosi ponad 3 razy, pogarszając proporcję kosztu robocizny do kosztu surowców do blisko 27 do 1.

Jednakże jeśli chodzi o parametr na którym nam przede wszystkim zależało, zmiana jest ogromna:

W praktyce najczęściej stosuje się rozwiązanie pośrednie, wybierając kombinację dającą najlepszy stosunek koszt-efekt. Mając jednak świadomość dostępnych opcji i ich wpływu na ostateczny kształt produktu można uniknąć wielu iteracji testowych a zatem wyraźnie zmniejszyć koszt oraz skrócić czas prac nad urządzeniem.

Opracowanie:
Jakub Kalus
Konstruktor-elektronik
j.kalus@feryster.pl
tel. 68 360 00 77 w. 39