Die Verkleinerung des Transformators ist keine einfache Aufgabe, wie wir sehen werden. Und bis vor kurzem gab es auch kaum einen Grund, dies zu tun. Schaltnetzteilwandler, die auf Silizium-MOSFETs und IGBTs basieren, arbeiten in der Regel mit einer Frequenz von einigen zehn Kilohertz. Diese Betriebsfrequenz bestimmt die Induktivität der benötigten gewickelten Komponenten und damit die Größe der verwendeten Induktoren und Transformatoren.
Doch dies ändert sich langsam. Mit der Einführung von Bauelementen mit breiter Bandlücke (WBG), wie SiC (Siliziumkarbid) und GaN (Galliumnitrid), steigen die Schaltfrequenzen in den Hunderten von Kilohertz-Bereich und darüber hinaus, was die Nachfrage nach kleineren Transformatoren erhöht.
Wie sind konventionelle Transformatoren aufgebaut?
Bevor wir diese wichtigen Komponenten optimieren können, müssen wir zunächst wissen, wie sie aufgebaut sind und welche Schwachstellen sie haben. Der Grundtransformator besteht in der Regel aus zwei eng gekoppelten Kupferwicklungen, die um einen Metallkern gewickelt sind.
Die eingehende Wechselspannung wird an der Primärseite angelegt. Das gleiche Frequenzsignal erscheint auf der Sekundärseite mit einer Spannung, die vom Verhältnis der Windungen abhängt. In einem perfekten Transformator sollte die Leistung auf der Sekundärseite die gleiche sein wie die auf der Primärseite. Doch genau hier beginnen die Herausforderungen.
Während des Betriebs fließen im magnetischen Material unerwünschte Wirbelströme, die zu Verlusten führen. Außerdem gibt es eine gewisse Hysterese in dem sich ständig ändernden Magnetfeld. All diese Faktoren tragen zu Kernverlusten bei. Die Wicklungen und ihr ohmscher Widerstand tragen am stärksten zu den Verlusten bei, die in der Regel als Kupferverluste bezeichnet werden. Die verlorene Energie wird in Wärme umgewandelt, die durch passive oder aktive Kühlung abgeführt werden muss.
Eine neue Herausforderung ergibt sich jedoch, wenn die Betriebsfrequenz steigt. Normalerweise denken wir, dass der Strom durch einen Leiter fließt und dabei die gesamte verfügbare Fläche nutzt. Dies ist jedoch nicht mehr der Fall, wenn die Signalfrequenz steigt.
Der Strom wird allmählich zum äußeren Rand des Leiters hin verschoben und fließt über dessen Oberfläche. Dieser als Skin-Effekt bekannte Effekt führt zu einer Verringerung der Stromleitfähigkeit eines Leiters. Im Gegenzug erhöht sich der elektrische Widerstand des Leiters, was zu mehr Verlusten und Wärme führt, die abgeleitet werden muss.
Aus diesem Grund werden bei Induktionskochfeldern Drähte mit einer größeren Oberfläche, so genannte Litzen, verwendet, die aus vielen isolierten dünneren Kupferdrähten bestehen, die zu einem größeren Leiter gebündelt sind.
Es gibt eine weitere Verlustquelle. Der durch die Wicklungen fließende Strom erzeugt während des Betriebs Magnetfelder, die jedoch den Stromfluss in den benachbarten Leitern beeinflussen. Dadurch erhöht sich der Wechselstromwiderstand, und die daraus resultierenden Verluste sind mit dem Proximity-Effekt verbunden. Um diesem Problem zu begegnen, werden die Sekundärwicklungen durch eine Konstruktionsmethode, die so genannte Verschachtelung, zwischen den Primärwicklungen verteilt.
Vom konventionellen zum Planartransformator
Zur Bewältigung der genannten Herausforderungen können einige Änderungen an der Konstruktion eines konventionellen Transformators vorgenommen werden, die zur Verringerung seiner Größe, zur Reduzierung der Verluste und zur Ableitung der verbleibenden Wärme beitragen.
Die erste besteht darin, die Wicklungen so zu konstruieren, dass die Oberfläche vergrößert wird, ohne die Querschnittsfläche zu vergrößern. In diesem Fall wird ein Flachleiter verwendet, zum Beispiel die Kupferbahnen einer Leiterplatte oder einer flexiblen gedruckten Schaltung (FPC). Dies ist sinnvoll, wenn man bedenkt, dass die Skin-Tiefe für ein 200-kHz-Signal nur 146 µm (5,7 mil) beträgt. Dies impliziert eine Leiterplatte mit einem Kupfergewicht von 0,12 g/cm2 (4 oz/sq ft) oder weniger.
Solche Spulen können dann mit regelmäßig ineinandergreifenden Primär- und Sekundärseiten gestapelt werden, was dazu beiträgt, den Wechselstromwiderstand und die Auswirkungen des Proximity-Effekts zu verringern. Dies führt zu einem wesentlich flacheren Design mit Leistungsparametern, die den Anforderungen von Hochfrequenz-Schaltnetzteilen besser gerecht werden. Im direkten Vergleich weisen Planartransformatoren auch eine niedrigere maximale Betriebstemperatur auf und erreichen schneller den eingeschwungenen Zustand. Dies unterstützt den Trend zu Designs mit höherer Leistungsdichte.
Das Design von Planartransformatoren wird durch die Verwendung eines Kernmaterials vervollständigt, das aufgrund seiner geringen Hystereseverluste ausgewählt wurde und eine flache Konstruktion ermöglicht. In einigen Fällen wird der Transformator sogar Teil der Leiterplatte.
Sind Planartransformatoren die Zukunft für Schaltwandler?
Es liegt auf der Hand, dass herkömmliche Transformatoren den elektrischen Anforderungen moderner Schaltwandler nicht immer gerecht werden können und aufgrund ihrer Größe die Ästhetik des Designs beeinträchtigen. Darüber hinaus müssen solche Komponenten kundenspezifisch entworfen und oft von Hand gefertigt werden, was die Gesamtkosten in die Höhe treibt.
Planartransformatoren bieten im Vergleich dazu eine bessere Leistung bei hohen Frequenzen und einen flachen Formfaktor, der in die Leiterplatte integriert werden kann und die Herausforderungen beim EMV-Design verringert. Das Design trägt auch zur Verringerung des Proximity-Effekts bei und wirkt dem Skin-Effekt im Vergleich zu herkömmlichen Transformatoren entgegen.
Es ergeben sich jedoch auch neue Herausforderungen. Die Kopplungskapazität kann Probleme verursachen, die die Implementierung von Schaltvorgängen komplexer machen, und das Team muss unter Umständen mehrere Leiterplattenentwürfe durcharbeiten, um sicherzustellen, dass alles optimiert ist.
Die Gesamtauswirkungen sind jedoch sehr positiv. Planare Transformatoren sparen nicht nur Platz, sondern erleichtern auch das thermische Design des Systems, wie das Design eines 70-W-Leistungswandlers zeigt. Mit einer geringen Anzahl von Lagen sind sie zudem relativ einfach zu entwerfen und lassen sich häufig in automatisierte Fertigungsprozesse integrieren.
