Преимущества и недостатки внешних и интегрированных резонирующих индуктивностей LLC

В источнике питания LLC есть резонансный индуктивный элемент и резонансный конденсатор. Однако во многих практических схемах печатных плат видны только трансформатор LLC и резонансный конденсатор, без отдельного резонансного индуктивного элемента. Это связано с тем, что резонансный индуктивный элемент интегрирован в трансформатор, используя утечку индуктивности между первичной и вторичной обмотками в качестве резонансного индуктивного элемента. В схемах с жестким переключением утечка индуктивности нежелательна и должна быть минимизирована, поскольку энергия, хранящаяся в ней, требует дополнительной схемотехники для обработки. Однако в резонансных преобразователях утечка индуктивности полезна и может служить в качестве резонансного индуктивного элемента, устраняя необходимость в отдельном индуктивном элементе. Это известно как интегрированный резонансный индуктивный трансформатор. В отличие от этого, некоторые источники питания используют отдельный резонансный индуктивный элемент вместе с трансформатором, который называется внешней схемой резонансного индуктивного элемента. Ниже мы обсудим преимущества и недостатки этих двух подходов.

I. Преимущества внешних резонирующих индуктивностей:

Внешний резонансный индуктор является отдельным компонентом, отделенным от основного трансформатора, предлагая высокую гибкость в дизайне. Хотя значение индуктивности определяется конкретными требованиями к дизайну, для оптимизации потерь на индукторе могут использоваться различные материалы, что позволяет достичь более высокой плотности мощности. Кроме того, существует больше вариантов выбора магнитного сердечника и катушки основного трансформатора. Регулировки первичной обмотки трансформатора, которые могут повлиять на утечку индуктивности, имеют минимальное влияние на внешний резонансный индуктор, поскольку трансформатор спроектирован с очень низкой утечкой индуктивности по сравнению с внешним индуктором. Таким образом, тонкая настройка количества первичных витков имеет незначительный эффект на резонансную индуктивность.

II. Недостатки внешних резонирующих катушек:

Стоимость внешнего резонансного индуктора выше, чем у интегрированного, из-за дополнительных материалов, необходимых для его изготовления, таких как магнитное ядро, катушка и медный провод для намотки, а также затрат на рабочую силу, связанных с производством индуктора, и дополнительными затратами на сборку для его установки в блок питания. Поскольку резонансный индуктор работает с переменным током, плотность магнитного потока действует как в первом, так и в третьем квадранте. Чтобы минимизировать потери в сердечнике, максимальная плотность потока (Bmax) обычно поддерживается на низком уровне, что часто требует большого воздушного зазора в ферритовом сердечнике при его использовании. Это может привести к значительным потерям вихревых токов в резонансном индукторе, что приводит к повышению температуры.

III. Преимущества интегрированных резонансных индукторов:

Интегрированные резонансные индуктивности могут сэкономить на материальных и трудозатратах. Однако они требуют специализированной катушки для намотки, поскольку полагаются на утечку индуктивности в качестве резонансного индуктора. Обычно рассчитанная резонансная индуктивность составляет около 20% от первичной индуктивности, что означает, что утечка индуктивности должна достигать 20% от первичной индуктивности, что подразумевает, что связь между первичными и вторичными обмотками не должна быть очень плотной.

Чтобы увеличить индуктивность утечки, часто используются специализированные катушки. Эти катушки предлагают преимущество высокой индуктивности утечки и сниженной паразитной емкости между первичными и вторичными обмотками, что полезно для LLC-преобразователей. Обычно интегрированные катушки разделяют первичные и вторичные обмотки на разные слоты, значительно улучшая соблюдение стандартов безопасности по сравнению с отдельными компонентами. Это позволяет как первичным, так и вторичным обмоткам использовать эмалированный провод без серьезных проблем с безопасностью, упрощая процесс намотки.

IV. Недостатки интегрированных резонансных индукторов:

Недостатки интегрированных резонансных индуктивных трансформаторов также очевидны. Общий размер трансформатора больше, чем у обычного, из-за конструкции с пазами, что требует большего пространства для обмотки. Кроме того, специализированные катушки, необходимые для достижения желаемой индуктивности утечки, обычно изготавливаются на заказ, что увеличивает затраты. Однако, если объемы производства большие, эти дополнительные затраты могут быть незначительными. Поскольку резонансный индуктивный элемент по сути является первичной индуктивностью утечки, количество первичных витков имеет значительное влияние на индуктивность утечки. Как только резонансная индуктивность утечки фиксирована, регулировка количества витков становится сложной. Поэтому интегрированные резонансные индуктивные элементы обычно используются в приложениях с низкой мощностью. Для уровней мощности выше киловатта обычно используются отдельные индуктивные элементы в качестве резонансных индуктивных элементов.

В заключение, использование интегрированного резонансного индуктора или отдельного зависит от конкретных обстоятельств каждой компании. Для приложений с высоким объемом и низкой мощностью интегрированные резонансные индуктора предлагают значительные преимущества, поскольку резонансная индуктивность и намагничивающая индуктивность, как правило, больше. Использование внешнего индуктора с ферритовыми сердечниками приведет к большому количеству витков, высокому сопротивлению обмотки и значительным потерям меди. Интегрированные резонансные индуктора не страдают от этой проблемы. Однако на более высоких уровнях мощности потери вихревых токов в магнитном сердечнике интегрированных индукторах становятся значительными, что делает внешние индуктора предпочтительным выбором.