Home Artikel Überwindung thermischer Herausforderungen bei der Konstruktion von Hochleistungstransformatoren und...

Überwindung thermischer Herausforderungen beim Design von Hochleistungs-Hochfrequenztransformatoren

Transformator Kühlkörper
Abbildung 1: Anordnung des Transformatorkühlkörpers mit den patentierten eingebetteten Metallplatten von Murata.

Von Andrea Polti, Global Product Manager – Magnetics

In den letzten Jahren wurden große Fortschritte bei der Verbesserung des Wirkungsgrads von Leistungswandlern mit der neuesten Halbleitertechnologie erzielt, wobei Breitbandgeräte in einphasigen Resonanzwandler-Topologien jetzt Wirkungsgrade von über 99 % ermöglichen. Mit einer stabilen Reduzierung statischer und dynamischer Verluste in Halbleitern richtet sich die Aufmerksamkeit zunehmend auf die Dissipation passiver Komponenten – insbesondere magnetischer.

Einer der erwünschten Vorteile des Wirkungsgrades großer Wandler ist eine Verlustleistung u Verpackung im Allgemeinen kleiner und kostengünstiger. Dazu muss aber auch die Magnetik in Form von Energiespeicherdrosseln, Filtern und Transformatoren abnehmen, was durch eine Erhöhung der Schaltfrequenz ermöglicht wird. Filter und Speicherinduktoren, die Netto-Gleichstrom durchlassen, erfordern typischerweise weniger Induktion, wenn die Schaltfrequenz zunimmt, was kleinere Kerne und/oder weniger Windungen für die gleiche Flussdichte ermöglichen kann. Dies verursacht eine geringe oder keine Erhöhung der Gesamtverluste an magnetischen Komponenten, wenn die AC-Komponente des Stroms klein ist. Bei Transformatoren kann die Kerngröße auch mit zunehmender Frequenz bei gleicher Windungszahl und Flussdichte abnehmen. Da es sich jedoch ausschließlich um Wechselstromtransformator handelt, nehmen die Wirbelstrom- und Kernhystereseverluste mit zunehmender Frequenz ebenfalls erheblich zu. Außerdem nehmen dynamische Halbleiterverluste mit der Frequenz zu, sodass immer etwas zwischen Systemfrequenz, Effizienz, Temperaturanstieg und Größe abzuwägen ist.

Transformatoren können jedoch sehr effizient sein und Verluste bei mittleren und niedrigen Leistungen und niedrigen Frequenzen sind oft ausgeschlossen. Bei höheren Leistungen können jedoch bereits Bruchteile von einem Prozent Ineffizienz zu erheblichen Leistungsverlusten führen, mit entsprechend hohen Durchschnittstemperaturen und Hotspot der Transformatoren. Dies kann problematisch sein, insbesondere wenn der Vorteil der geringen Größe der Magnete durch eine Erhöhung der Frequenz erreicht wurde, wodurch eine kleine Gesamtfläche des Transformators für die Wärmeabfuhr an die Umgebung verschenkt wird. Hohe Temperaturen können die Isolierung und Sicherheit beeinträchtigen oder bestenfalls die Verwendung unnötig hoher Temperaturwerte für die Drahtisolierung und Spulen erzwingen, um eine behördliche Sicherheitszertifizierung zu erhalten. Auch der ohmsche Widerstand der Kupferwindungen steigt mit steigender Temperatur, was noch mehr Verluste und damit noch höhere Temperaturen verursacht.

Ein Ansatz zur Minimierung des Temperaturanstiegs in Transformatoren besteht darin, kontrollierte Wege für die Ableitung der Wärme bereitzustellen. Ferritkerne, die bei Hochfrequenz verwendet werden, haben eine relativ schlechte Wärmeleitfähigkeit, typischerweise 2 bis 5 W/m·K, verglichen mit 400 W/m·K bei Kupfer, sodass Temperaturunterschiede über den Ferrit hoch sein können und somit das Innere eines Transformators effektiv thermisch isolieren. Dicke Windungen mit mehreren Windungen können verwendet werden, wie sie in einer "planaren" Konstruktion typisch sind, um Wärme abzuleiten, aber der Ansatz ist nicht effektiv für innere Windungen, die oft Hochspannungs-Primärwicklungen mit relativ hohen Mengen an mehr Drahtwindungen sein können.

Ein neuer Ansatz reduziert die Innentemperaturen von Transformatoren

Murata hat kürzlich mit seiner patentierten PDQP-Technologie, die Spulen auf neuartige Weise verschachtelt, um die Streuinduktivität und deren Auswirkungen zu minimieren, Fortschritte bei Drehanordnungen für Hochleistungs-Hochfrequenztransformatoren erzielt Haare und Nähe. Die PDQP-Technik bietet eine nützliche Verlustreduzierung, aber das Unternehmen hat jetzt eine neue Technik patentieren lassen, um eine bessere Kontrolle der Innentemperaturen von Transformatoren zu ermöglichen, indem Kühlplatten in die Kern- und Windungsstruktur eingebettet werden. Diese Methode eignet sich für Hochleistungstransformatoren, bei denen die Temperaturanstiege hoch sein können und der Kern typischerweise aus „U“- oder „U“- und „I“-Kernkombinationen besteht. Das Abbildung 1 zeigt die generelle Vorgehensweise. In diesem Beispiel bilden acht U7-U8-Kerne die Baugruppe mit eingestreuten Kühlkörperplatten aus Metall in Blau und Rot.

La Abbildung 2 zeigt den internen Aufbau, in diesem Fall unter Verwendung von 12 „U“-Kernen, aber die oberen sechs wurden zur Verdeutlichung entfernt. Die dickere Mittelplatte fungiert als Wärmeleitung und kann an einem externen Gehäuse oder einer „kalten Wand“ befestigt oder angeklebt werden, um eine Wärmeableitung für das Innere der Baugruppe bereitzustellen. Die dünneren Platten in Rot können auf die Mittelplatte geklebt werden oder aus der Baugruppe herausragen, um sie am externen Kühlkörper zu befestigen. Die gesamte Anordnung kann geklebt oder geklemmt werden, aber Druck und kleine Spiele sind nicht kritisch, mit Ausnahme der Flächen zwischen den oberen und hinteren U-Kernen. Alle anderen Grenzflächen befinden sich nicht im Pfad des Magnetfelds und kleine Löcher sind nicht materiell, obwohl die thermische Anpassung bei engerem Kontakt besser ist.

Transformator Kühlkörper
Abbildung 2: Interner Aufbau des neuen Transformer-Sink-Ansatzes

Ähnlich wie die Stahlbleche von 50/60Hz-Transformatoren bilden die dünnen Platten in Rot keine vollständigen Leiterschleifen und die F-Ströme würden immer noch von vornherein durch die dünne Dimension der Platte induziert. Der Wirbelstrom ist proportional zur Fläche der induzierten Stromschleife und die Verlustleistung ist proportional zum Quadrat des Stroms, sodass beides durch die dünnen Platten minimiert wird. Die dickste Mittelplatte hat theoretisch keine Wirbelströme, wenn sie symmetrisch zu den Windungen liegt, da sich das Magnetfeld jeder Kernöffnung aufhebt. Das Material der Platten kann Kupfer für die höchste Leistung oder Aluminium um den Faktor zwei sein, aber ihre elektrische Leitfähigkeit ist um ein ähnliches Verhältnis höher, so dass jeder verbleibende Wirbelstrom geringere Verluste in Aluminium erzeugen würde.

Praktische Ergebnisse

Um die Leistungsfähigkeit dieses Ansatzes zur Verlustleistung des Transformators zu bestätigen, wurde ein 50-kW-24-kHz-Wandler mit den eingebetteten Platinen simuliert und mit einer Version ohne die Platinen verglichen. Anschließend wurde ein echter Transformator zusammengebaut und belastet sowie Temperaturmessungen durchgeführt. Der Wandler ist typisch für ein EV-Batterieladegerät mit einem 700-VDC-Eingangsbus und einem 417-V-Ausgang bei 122 A. Das Abbildung 3 (links) ist eine simulierte Temperaturkarte des Transformators mit den enthaltenen Kühlkörperplatten (Außenansicht), während das Bild rechts einen Querschnitt des Teils mit den Kühlkörpern zeigt. Hotspots intern. Die Umgebungstemperatur lag bei 31°C und es wird eine maximale Innentemperatur von 56,2°C angezeigt, ein Anstieg von etwa 25°C.

Simulation des Temperaturanstiegs
Abbildung 3: Simulation des Temperaturanstiegs mit im Transformator eingebetteter Verlustleistung

Derselbe Transformator wurde ohne die zusätzliche Verlustleistung und die simuliert Abbildung 4 (links) und (rechts) sind die beiden äquivalenten Zeichnungen, die einen maximalen internen Temperaturanstieg von 39 °C zeigen, mehr als 50 % höher als bei den Kühlkörperplatten. Es ist zu beachten, dass die Temperaturskalierung zwischen den Abbildungen 3 und 4 unterschiedlich ist.

Temperaturanstiegssimulation
Abbildung 4: Simulation des Temperaturanstiegs ohne eingebettete Verlustleistung im Transformator

Praktische Messungen bestätigen die Simulation (Abbildung 5), mit eingebetteten Thermoelementen, die a registrieren Hotspot maximale Innentemperatur knapp über 58 °C, innerhalb von 1,5 °C der Simulation.

interne Temperaturmessungen
Abbildung 5. Innentemperaturmessungen eines Transformators mit Ableitblechen
Arbeiten.

Muratas proprietärer Transformator-Dissipationsansatz verspricht, wie beschrieben, höhere Leistungen einer Transformatorbaugruppe oder niedrigere Temperaturen für die gleiche Leistung mit einer entsprechenden Erhöhung der Zuverlässigkeit und Lebensdauer zu ermöglichen. Der Sicherheitsabstand zu den Materialtemperaturgrenzen wird verbessert und die behördliche Zertifizierung wird erleichtert, ohne dass unnötig auf spezialisierte und teure Hochtemperatur-Isoliersysteme zurückgegriffen werden muss. Die Kombination aus Simulation und praktischen Messungen bestätigt den Wert des Ansatzes.