Avantages et inconvénients des inducteurs résonnants LLC externes et intégrés

Dans une alimentation LLC, il y a une inductance résonante et un condensateur résonant. Cependant, dans de nombreux designs de PCB pratiques, seul le transformateur LLC et le condensateur résonant sont visibles, sans inductance résonante séparée. Cela est dû au fait que l'inductance résonante est intégrée dans le transformateur, utilisant l'inductance de fuite entre les enroulements primaire et secondaire comme inductance résonante. Dans les circuits à commutation dure, l'inductance de fuite est indésirable et doit être minimisée car l'énergie stockée nécessite des circuits supplémentaires pour être gérée. Cependant, dans les convertisseurs résonants, l'inductance de fuite est bénéfique et peut servir d'inductance résonante, éliminant ainsi le besoin d'une inductance séparée. Cela est connu sous le nom de transformateur à inductance résonante intégrée. En revanche, certaines alimentations utilisent une inductance résonante séparée en plus du transformateur, ce qui est appelé un circuit d'inductance résonante externe. Ci-dessous, nous discutons des avantages et des inconvénients de ces deux approches.

I. Avantages des inducteurs résonnants externes :

Un inducteur résonant externe est un composant autonome séparé du transformateur principal, offrant une grande flexibilité de conception. Bien que la valeur d'inductance soit déterminée par des exigences de conception spécifiques, différents matériaux peuvent être utilisés pour optimiser les pertes sur l'inducteur, permettant une densité de puissance plus élevée. De plus, il y a plus d'options pour sélectionner le noyau magnétique et la bobine du transformateur principal. Les ajustements à l'enroulement primaire du transformateur, qui peuvent affecter l'inductance de fuite, ont un impact minimal sur l'inducteur résonant externe car le transformateur est conçu avec une inductance de fuite très faible par rapport à l'inducteur externe. Ainsi, le réglage fin du nombre de tours primaires a un effet négligeable sur l'inductance résonante.

II. Inconvénients des inducteurs résonnants externes :

Le coût d'un inducteur résonant externe est plus élevé que celui d'un inducteur intégré en raison des matériaux supplémentaires requis, tels que le noyau magnétique, la bobine et le fil de cuivre pour l'enroulement, ainsi que les coûts de main-d'œuvre associés à la fabrication de l'inducteur et le coût d'assemblage supplémentaire pour son insertion dans l'alimentation. Étant donné que l'inducteur résonant fonctionne avec un courant alternatif, la densité de flux magnétique fonctionne dans les premier et troisième quadrants. Pour minimiser les pertes dans le noyau, la densité de flux maximale (Bmax) est généralement maintenue basse, ce qui nécessite souvent un grand espace d'air dans le noyau en ferrite lors de son utilisation. Cela peut entraîner des pertes de courant de Foucault significatives dans l'inducteur résonant, entraînant des températures plus élevées.

III. Avantages des inducteurs résonnants intégrés :

Les inducteurs résonants intégrés peuvent réduire les coûts de matériel et de main-d'œuvre. Cependant, ils nécessitent une bobine spécialisée pour l'enroulement car ils dépendent de l'inductance de fuite en tant qu'inducteur résonant. En général, l'inductance résonante calculée représente environ 20 % de l'inductance primaire, ce qui signifie que l'inductance de fuite doit atteindre 20 % de l'inductance primaire, ce qui implique que le couplage entre les enroulements primaire et secondaire n'a pas besoin d'être très serré.

Pour augmenter l'inductance de fuite, des bobines spécialisées sont souvent utilisées. Ces bobines offrent l'avantage d'une haute inductance de fuite et d'une capacitance parasitaire réduite entre les enroulements primaire et secondaire, ce qui est bénéfique pour les convertisseurs LLC. En général, les bobines intégrées séparent les enroulements primaire et secondaire dans des emplacements différents, améliorant considérablement la conformité en matière de sécurité par rapport aux composants séparés. Cela permet aux enroulements primaire et secondaire d'utiliser du fil émaillé sans préoccupations majeures en matière de sécurité, simplifiant ainsi le processus d'enroulement.

IV. Inconvénients des inducteurs résonants intégrés :

Les inconvénients des transformateurs à inductance résonante intégrée sont également évidents. La taille globale du transformateur est plus grande que celle d'un transformateur conventionnel en raison de la conception à enroulement par fente, nécessitant plus d'espace d'enroulement. De plus, les bobines spécialisées nécessaires pour atteindre l'inductance de fuite souhaitée sont généralement fabriquées sur mesure, augmentant les coûts. Cependant, si les volumes de production sont importants, ces coûts supplémentaires peuvent être négligeables. Étant donné que l'inductance résonante est essentiellement l'inductance de fuite primaire, le nombre de tours primaires a un impact significatif sur l'inductance de fuite. Une fois que l'inductance de fuite résonante est fixée, ajuster le nombre de tours devient difficile. Par conséquent, les inducteurs résonants intégrés sont généralement utilisés dans des applications à faible puissance. Pour des niveaux de puissance supérieurs à un kilowatt, des inducteurs séparés sont généralement utilisés comme inducteurs résonants.

En résumé, le choix d'utiliser un inducteur résonant intégré ou un inducteur séparé dans un design dépend des circonstances spécifiques de chaque entreprise. Pour les applications à volume élevé et à faible puissance, les inducteurs résonants intégrés offrent des avantages significatifs car l'inductance résonante et l'inductance de magnétisation sont généralement plus grandes. L'utilisation d'un inducteur externe avec des noyaux en ferrite entraînerait un grand nombre de tours de bobinage, une résistance de bobinage élevée et des pertes de cuivre significatives. Les inducteurs résonants intégrés ne souffrent pas de ce problème. Cependant, à des niveaux de puissance plus élevés, les pertes par courants de Foucault dans le noyau magnétique des inducteurs intégrés deviennent significatives, rendant les inducteurs externes le choix préféré.