Maßgeschneidertes Transformator-Design erfordert leistungsfähige LCR-Messbrücke

Ihre Aufgabe

Die Auswirkungen der Streuinduktivität von SMPS-Transformatoren hängen von mehreren Faktoren ab. Die Auslegung eines Transformators in Richtung auf eine höhere Magnetisierungsinduktivität führt oft zu einer erhöhten Streuinduktivität, insbesondere wenn eine Isolierung zwischen Primär- und Sekundärwicklung erforderlich ist. Diese Streuinduktivität kann bei höheren Wandler-Schaltfrequenzen die elektromagnetische Stör-Abstrahlung beeinflussen und zu Verlustleistung führen.

Wird der Transformator in einem Sperrwandlernetzteil betrieben, reagiert das Hauptschaltelement empfindlich auf Spannungsrückwirkungen, die durch die Streuinduktivität induziert werden, wenn der Treibertransistor abschaltet. Die in der Streuinduktivität gespeicherte Energie erfordert spannungsbegrenzende Schaltungen (Snubber), um Überspannungen in den Schaltbausteinen zu verhindern. Während der Designphase ist für eine optimierte Auslegung der Snubber-Schaltungen die genaue Messung der Streuinduktivität auf der Primärseite des Transformators entscheidend. Dies stellt nicht nur den ausreichenden Schutz des Hauptschaltelements sicher, sondern sorgt auch für geringere Verluste und weniger Probleme mit elektromagnetischen Störungen.

Neben der Streuinduktivität sind aber auch andere Parameter wie zum Beispiel Magnetisierungsinduktivität, Wicklungskapazität und Wicklungswiderstand relevant und erforderlich für eine hochwertige Auslegung.

Zur Beschleunigung des Entwurfsprozesses kann aus den gemessenen parasitären Transformatorwerten ein genaues Simulationsmodell abgeleitet werden.

Die Lösung von Rohde & Schwarz

Mit dem R&S®LCX LCR-Meter lassen sich alle kritischen Transformatorparameter präzise messen. Für die Induktivitätsmessung bei Transformatoren ist eine Sinusspannung mit einer geeigneten Frequenz erforderlich. Die erforderliche Prüffrequenz wird aus der Schaltfrequenz des Wandlers abgeleitet. Das LCR-Meter speist das AC-Signal ein, während sich die Sekundärwicklung im Leerlaufzustand befindet. So kann die Hauptinduktivität L_Gesamt gemessen werden.

Im Messergebnis werden die Magnetisierungsinduktivität L_M und die Streuinduktivität L_L zusammengeführt. Die Hauptinduktivität wird bestimmt durch die Permeabilität des Kerns und die Windungszahl der Wicklung. Die Kupferwicklungen stellen auch ein Serienwiderstandselement R_S dar. Dieser Wert kann bei Wechsel- oder reiner Gleichspannung gemessen werden. Mit diesem Wert lassen sich die Kupfer- bzw. Wicklungsverluste berechnen.

Da sich die Streuinduktivität aus der Auslegung des Transformators ergibt, kann sie nicht direkt gemessen werden. Ein geeignetes Verfahren zur Ermittlung der Streuinduktivität muss die Magnetisierungsinduktivität aus der Hauptinduktivität entfernen können. Dies kann durch Kurzschließen der beiden Sekundäranschlüsse erreicht werden. Bei einem Kurzschluss liegen an den Ausgangsanschlüssen null Volt an, und null Volt für die Magnetisierungsinduktivität auf der Primärseite. Die an den Primäranschlüssen gemessene Induktivität ist dann die Streuinduktivität.

Anwendungsbeispiel

Die kundenspezifische Ausführung eines Transformators für die Messung der relevanten Parameter wird in einen Offline-Leistungswandler mit 5-V-Ausgangsspannung bei 2 A eingebaut, der als Sperrwandler arbeitet.

Messaufgaben

• Kompensation durchführen (Leerlauf-/Kurzschlussmessung ohne Prüfling)
  • Zur Kompensation für Restparameter wie Verkabelung
• Gewünschte Betriebsfrequenz und geeigneten Spannungsprüfpegel einstellen
  
• Richtige Impedanz-Betriebsart (lowZ oder highZ) wählen
  • Um die größtmögliche Genauigkeit zu erreichen
• Geeignete Bereichseinstellung und die richtige Parameterkonfiguration wählen (L_s und R_s/L_s und R_DC), dann Prüfling anschließen und mit der Messung beginnen

Auf dem Screenshot unten wird eine Primär-Induktivität von 745,3 µH angezeigt, die mit den technischen Daten aus dem Datenblatt übereinstimmt.

Messtechnische Lösung

Ebenso wird ein Serienwiderstand von 1,283 Ω angezeigt. Der Gleichstromwiderstand wird in einem typischen Datenblatt für Transformatoren angegeben und sollte bei Gleichspannung gemessen werden. Dieser kann ebenfalls mit dem LCR-Meter über Anwahl des Parameters R_DC bestimmt werden. Der resultierende Gleichstromwiderstand beträgt ca. 1,41 Ω.

Der nachstehende Screenshot zeigt eine Streuinduktivität von ca. 6,08 µH, was auch den Datenblattwerten entspricht. Nach der Messung der Streuinduktivität kann die Magnetisierungsinduktivität berechnet werden.

L_M = L_Gesamt − L_L = 745,26 µH – 6,08 µH = 739,2 µH

Fazit

Das R&S®LCX LCR-Meter vereint leistungsfähige Funktionen und hohe Genauigkeit, was es zu einem großartigen Messgerät für die Transformatorauslegung in verschiedensten Schaltwandlern macht. Bei den meisten Wandlern muss die Streuinduktivität begrenzt werden, ungeachtet dessen, ob die Energie in einen Snubber abgeleitet oder für das Nullspannungsschalten in Resonanzumrichtern eingesetzt wird. Durch die Möglichkeit, verschiedene parasitäre Transformatorwerte messen zu können, werden Entwickler in die Lage versetzt, ein sehr genaues Simulationsmodell zu konfigurieren. Auf einer Fertigungslinie trägt die Messung der Streuinduktivität bei der Eingangsprüfung entscheidend zur Qualitätssicherung der kundenspezifischen Transformatorauslegung bei.