Header Progettazione di trasformatori ed induttori affidabili ed efficienti

Progettazione di trasformatori ed induttori affidabili ed efficienti

Ad oggi i componenti magnetici svolgono un ruolo critico nelle applicazioni switching di potenza e con il crescente sviluppo dell’industria dell’ E-mobility e della ricarica elettrica si ha sempre più la necessità di trasformatori ed induttori altamente affidabili ed efficienti. Solitamente i componenti magnetici rappresentano gli oggetti più ingombranti, più costosi e a più alte perdite di uno stadio di conversione dell’energia elettrica. Ecco quindi che iniziare un progetto avendo tra le priorità il dimensionamento della parte magnetica della scheda diventa fondamentale.

Nata nel 1976 la ICE è oggi una delle aziende leader in Italia per la progettazione e produzione di componenti avvolti custom per applicazioni elettriche ed elettroniche. Un’azienda che da sempre opera con la passione e l’orgoglio tipici del vero made in Italy per garantire il più elevato standard di qualità e affidabilità ai propri clienti.

I principali segmenti di mercato di ICE spaziano fra l’automazione industriale, SMPS, ferroviario, UPS, ed il mondo degli On Board Charger e dell’ E-mobility.

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Proprio in questi ultimi due settori si stanno realizzando i maggiori investimenti da parte delle aziende di tutto il mondo. L’aumento esponenziale di questa fetta di mercato comporta un’evoluzione da parte dei produttori di componenti magnetici  nell’implementare soluzioni idonee a far fronte alle sempre più crescenti nuove configurazioni circuitali. 

Convertitori bidirezionali isolati DAB

Fra i prodotti più utilizzati in ambito automotive troviamo ad esempio i trasformatori per la realizzazione di convertitori bidirezionali isolati, anche detti DAB (Dual Active Bridge).

L’uso di questa topologia di convertitori è suggerito in quelle applicazioni in cui la densità di potenza, il costo, il peso e l’affidabilità sono fattori critici. Sistemi di ricarica batterie, apparecchiature fotovoltaiche e alimentazioni ausiliarie nelle applicazioni di trazione sono solo alcuni esempi di campi di applicazione per questo genere di convertitori.

Il cuore di un Dual Active Bridge isolato è senz’altro il trasformatore switching posto fra i due ponti full-bridge che permette il trasferimento del flusso di energia in entrambe le direzioni fra i BUS DC, oltre che a garantire l’ isolamento galvanico. Un parametro critico del trasformatore è la sua induttanza di leakage necessaria a controllare l’energia trasferita dal sistema. Generalmente quando il valore dell’induttanza di leakage del trasformatore non è sufficiente si pone un induttore stand alone in serie al circuito primario.

In quest’ottica avere un kit trasformatore + induttore “tarato” a un determinato valore di induttanza risulta un punto focale per garantire l’efficienza del convertitore.  La scelta della soluzione più efficace deve tener presente tanto delle performance, quanto dei costi.

Ad esempio supponiamo di voler ottimizzare i costi e propendere per una soluzione con induttanza di leakage integrata; questo comporterà di dover disaccoppiare magneticamente gli avvolgimenti primario e secondario: tanto più è elevato il valore di induttanza richiesto, quanto più necessitano di essere disaccoppiati gli avvolgimenti. La stratificazione fra gli avvolgimenti quindi aumenterà con conseguente peggioramento delle perdite sui conduttori.

Ridurre al minimo le perdite del trasformatore

Viceversa con l’utilizzo di un induttore separato sarà più conveniente minimizzare la leakage del trasformatore al fine di migliorare la stratificazione e conseguentemente le perdite. L’aumento di volume che ne consegue garantisce uno scambio termico più efficiente. Ovviamente questa tecnica comporta l’aggiunta di un ulteriore componente (l’induttore stand alone) con un aggravio degli ingombri e dei costi. 

Un’altra delle caratteristiche principali del DAB è quella di far commutare gli switch nella fase di accensione, in condizione di Zero Voltage Switching (ZVS).  Questa condizione consente di utilizzare una elevata frequenza di commutazione,  la quale consente di raggiungere densità di potenze più elevate. Questo impone l’adozione di specifici accorgimenti costruttivi dei componenti magnetici. L’aumento delle frequenze di switching  comporta una scelta oculata dei materiali da utilizzare per la costruzione del trasformatore, fra cui il materiale del nucleo, la tipologia dei conduttori e la configurazione degli avvolgimenti.  

Scegliere il giusto conduttore

Se per i nuclei ci si può affidare alle nuove soluzioni di mercato che offrono i grandi produttori di ferriti, la scelta del conduttore è sempre critica; le componenti AC la fanno da padrone,  pertanto l’effetto pelle e effetto di prossimità sono i due parametri da tenere perlopiù in considerazione per evitare forti ΔT sulla zona del rame. In generale si tende a progettare il trasformatore minimizzando la Rac degli avvolgimenti mediante l’utilizzo di fili Litz a base capillare e riducendo il numero di strati dell’avvolgimento stesso.

Nella scelta della geometria del componente magnetico, ulteriori vincoli meccanici sono i requisiti di isolamento e i requisiti meccanici. Questi vengono valutati una volta verificata la performance elettrica: la meccanica viene progettata su misura rispetto alla geometria di nucleo individuata e la tipologia di isolamento dipende dal livello di tenuta richiesto dalle normative o dall’applicazione.

Tutte queste accortezze sono customizzazioni che la ICE propone per i suoi clienti, al fine di soddisfare l’esigenza di ogni apparato.

L’ampliamento della gamma di prodotti è dato anche dalla presenza di certificazioni UL per specifici sistemi di isolamento (www. ul.com). Pertanto, gli articoli prodotti secondo tali sistemi sono conformi agli standard UL 1446. Per la produzione di questi componenti vengono impiegati solamente specifici materiali elencati nelle tabelle dei singoli sistemi di isolamento. Tali componenti sono identificabili non solo con la denominazione del sistema di isolamento cui si riferiscono, ma sono anche contrassegnati con il marchio “UR” (Recognised Components). Ciò permette di facilitare i processi per l’omologazione UL dei dispositivi o degli apparati nei quali vengono utilizzati i suddetti componenti, permettendo la riduzione dei costi totali.

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Redazione Fare Elettronica