Ventajas y desventajas de los inductores resonantes LLC externos e integrados

En una fuente de alimentación LLC, hay un inductor resonante y un capacitor resonante. Sin embargo, en muchos diseños prácticos de PCB, solo son visibles el transformador LLC y el capacitor resonante, sin un inductor resonante separado. Esto se debe a que el inductor resonante está integrado en el transformador, utilizando la inductancia de fuga entre los devanados primario y secundario como el inductor resonante. En circuitos de conmutación dura, la inductancia de fuga es indeseable y debe ser minimizada porque la energía almacenada en ella requiere circuitos adicionales para manejarla. Sin embargo, en convertidores resonantes, la inductancia de fuga es beneficiosa y puede servir como el inductor resonante, eliminando la necesidad de un inductor separado. Esto se conoce como un transformador de inductor resonante integrado. En contraste, algunas fuentes de alimentación emplean un inductor resonante separado junto con el transformador, que se denomina circuito de inductor resonante externo. A continuación, discutimos las ventajas y desventajas de estos dos enfoques.

I. Ventajas de los Inductores Resonantes Externos:

Un inductor resonante externo es un componente independiente separado del transformador principal, que ofrece alta flexibilidad de diseño. Aunque el valor de inductancia está determinado por requisitos de diseño específicos, se pueden utilizar diferentes materiales para optimizar las pérdidas en el inductor, lo que permite una mayor densidad de potencia. Además, hay más opciones para seleccionar el núcleo magnético y la bobina del transformador principal. Los ajustes en el devanado primario del transformador, que pueden afectar la inductancia de fuga, tienen un impacto mínimo en el inductor resonante externo porque el transformador está diseñado con una inductancia de fuga muy baja en comparación con el inductor externo. Por lo tanto, el ajuste fino del número de vueltas primarias tiene un efecto negligible en la inductancia resonante.

II. Desventajas de los Inductores Resonantes Externos:

El costo de un inductor resonante externo es más alto que el de uno integrado debido a los materiales adicionales requeridos, como el núcleo magnético, el carrete y el alambre de cobre para el bobinado, así como los costos laborales asociados con la fabricación del inductor y el costo adicional de ensamblaje para insertarlo en la fuente de alimentación. Dado que el inductor resonante opera con corriente alterna, la densidad de flujo magnético opera en los primeros y terceros cuadrantes. Para minimizar las pérdidas en el núcleo, la densidad de flujo máxima (Bmax) se mantiene típicamente baja, lo que a menudo requiere un gran espacio de aire en el núcleo de ferrita al usarlo. Esto puede llevar a pérdidas significativas por corrientes de Foucault en el inductor resonante, lo que resulta en temperaturas más altas.

III. Ventajas de los Inductores Resonantes Integrados:

Los inductores resonantes integrados pueden ahorrar en costos de material y mano de obra. Sin embargo, requieren un bobinado especializado para el enrollado porque dependen de la inductancia de fuga como el inductor resonante. Típicamente, la inductancia resonante calculada representa aproximadamente el 20% de la inductancia primaria, lo que significa que la inductancia de fuga necesita alcanzar el 20% de la inductancia primaria, lo que implica que el acoplamiento entre los devanados primario y secundario no necesita ser muy ajustado.

Para aumentar la inductancia de fuga, a menudo se utilizan bobinas especializadas. Estas bobinas ofrecen la ventaja de alta inductancia de fuga y capacitancia parasitaria reducida entre los devanados primario y secundario, lo que es beneficioso para los convertidores LLC. Generalmente, las bobinas integradas separan los devanados primario y secundario en diferentes ranuras, mejorando significativamente el cumplimiento de seguridad en comparación con componentes separados. Esto permite que tanto los devanados primario como secundario utilicen alambre esmaltado sin preocupaciones de seguridad importantes, simplificando el proceso de devanado.

IV. Desventajas de los Inductores Resonantes Integrados:

Las desventajas de los transformadores de inductores resonantes integrados también son evidentes. El tamaño general del transformador es mayor que el de uno convencional debido al diseño de bobinado en ranura, lo que requiere más espacio de bobinado. Además, las bobinas especializadas necesarias para lograr la inductancia de fuga deseada suelen ser hechas a medida, aumentando los costos. Sin embargo, si los volúmenes de producción son grandes, estos costos adicionales pueden ser insignificantes. Dado que el inductor resonante es esencialmente la inductancia de fuga primaria, el número de vueltas primarias tiene un impacto significativo en la inductancia de fuga. Una vez que la inductancia de fuga resonante está fijada, ajustar el número de vueltas se vuelve difícil. Por lo tanto, los inductores resonantes integrados se utilizan generalmente en aplicaciones de menor potencia. Para niveles de potencia superiores a un kilovatio, se utilizan típicamente inductores separados como inductores resonantes.

En resumen, la decisión de utilizar un inductor resonante integrado o uno separado en un diseño depende de las circunstancias específicas de cada empresa. Para aplicaciones de alto volumen y menor potencia, los inductores resonantes integrados ofrecen ventajas significativas porque la inductancia resonante y la inductancia de magnetización suelen ser mayores. Utilizar un inductor externo con núcleos de ferrita resultaría en un gran número de vueltas de bobinado, alta resistencia de bobinado y pérdidas significativas de cobre. Los inductores resonantes integrados no sufren de este problema. Sin embargo, a niveles de potencia más altos, las pérdidas por corrientes de Foucault en el núcleo magnético de los inductores integrados se vuelven significativas, lo que hace que los inductores externos sean la opción preferida.