Un diseño de transformadores personalizado necesita de un potente puente LCR

Un transformador de alta frecuencia es un componente clave al momento de diseñar fuentes conmutadas (SMPS) aisladas. La inductancia de fugas es esencial en el control de muchos parámetros de diseño, entre los que figuran eficiencia, valor nominal máximo del voltaje para elementos de conmutación y EMI cuando se trata de diseños que utilizan transformadores personalizados. Las mediciones precisas de este elemento parasitario son obligatorias. El medidor LCR R&S®LCX es ideal para esta tarea de medición desafiante.

Su tarea

El impacto de la inductancia de fugas de los transformadores de SMPS depende de diversos factores. Diseñar un transformador para obtener una mayor inductancia magnetizante tiende a incrementar la inductancia de fugas, de manera especial si se requiere aislamiento entre la bobina primaria y la secundaria. Esta inductancia de fugas puede ocasionar potencia perdida e influir en las emisiones de EMI, especialmente en frecuencias de conmutación de convertidores más altas.

Si el transformador se diseña para operar en un convertidor de transferencia indirecta, el conmutador principal del convertidor será sensible a la respuesta del voltaje de la inductancia de fugas al momento de apagar el transistor de conducción. La energía almacenada en la inductancia de fugas requiere de circuitos snubber para limitar el voltaje en los dispositivos de conmutación. Durante el proceso de diseño, una medición precisa de la inductancia de fugas en el costado del transformador primario es esencial para un diseño de circuitos snubber optimizado. Esto asegura suficiente protección para el elemento de conmutación principal, pero también reduce las pérdidas y los problemas de EMI.

Además de la inductancia de fugas, otros parámetros como la inductancia magnetizante, la capacitancia y la resistencia de la bobina son relevantes y necesarias para diseños de alta calidad.

También puede derivarse un modelo de simulación preciso a partir de los valores medidos del transformador parasitario para acelerar el proceso de diseño.

Principio de medición de la inductancia primaria y de fugas
Principio de medición de la inductancia primaria y de fugas
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La solución de Rohde & Schwarz

El medidor LCR R&S®LCX puede medir con precisión todos los parámetros fundamentales de los transformadores. Se requiere de un voltaje sinusoidal con una frecuencia apropiada para las mediciones de inductancia del transformador. La frecuencia de prueba requerida se deriva de la frecuencia de conmutación del convertidor. El medidor LCR proporciona la señal de CA, mientras que la bobina secundaria está en una configuración de circuito abierto. La inductancia primaria LTotal puede entonces medirse.

El resultado de la medición combina la inductancia magnetizante LM con la inductancia de fugas LL. La inductancia del transformador primario se determina por la permeabilidad del núcleo y el número de vueltas en la bobina. Un elemento de resistencia en serie RS es también el resultado de las bobinas de cobre. También puede medirse este valor al momento de aplicar una señal de CA o también medirse como CC pura. Este valor ayuda a calcular la pérdida de cobre.

Debido a que la inductancia de fugas se define por el diseño del transformador, no puede medirse de manera directa. Un método apropiado para la inductancia de fugas debe eliminar la inductancia magnetizante de la inductancia primaria. Esto puede realizarse con un corto circuito a través de los terminales secundarios. Un corto circuito da como resultado cero voltios en los terminales de salida y cero voltios para la inductancia magnetizante en el costado primario. La inductancia medida en los terminales primarios es entonces la inductancia de fugas.

Ejemplo de aplicación

El diseño del trasformador personalizado para la medición de los parámetros relevantes se sitúa en un convertidor de potencia fuera de línea con un voltaje de salida de 5 V a 2 A utilizando el principio de transferencia indirecta.

Tareas de medición

  • Compensación de rendimiento (medición abierta/cerrada sin necesidad de conectar el dispositivo)
    • Para compensar los parámetros residuales como el cableado
  • Configure la frecuencia de funcionamiento deseada y un nivel de prueba de voltaje adecuado
  • Seleccione un modo de impedancia adecuado (lowZ o highZ)
    • Para lograr la mayor precisión
  • Elija un ajuste de rango adecuado, seleccione la configuración de parámetro adecuada (Ls y Rs/Ls y RDC), conecte el dispositivo e inicie la medición

La captura de pantalla siguiente muestra una inductancia primaria de 745.3 µH la cual cumple con las especificaciones de la hoja de datos.

Mediciones de inductancia primaria a 10 kHz y 100 mV (valor eficaz)
Mediciones de inductancia primaria a 10 kHz y 100 mV (valor eficaz)

Solución de prueba y medición

También muestra una resistencia en serie de 1.283 Ω. La resistencia de CC se especifica en una típica hoja de datos del transformador y debe medirse en CC. Esta también puede medirse con el medidor de LCR mediante la selección del parámetro RDC. La resistencia de CC que resulta es de aproximadamente 1.41 Ω.

La captura de pantalla siguiente muestra una inductancia de fugas de aproximadamente 6.08 µH, la cual se encuentra también dentro de las especificaciones de la hoja de datos. Después de realizar la medición de la inductancia de fugas puede calcularse la inductancia magnetizante.

LM = LTotal − LL = 745.26 µH – 6.08 µH = 739.2 µH

Mediciones de inductancia de fugas a 10 kHz y 100 mV (valor eficaz)
Mediciones de inductancia de fugas a 10 kHz y 100 mV (valor eficaz)

Resumen

El medidor LCR R&S®LCX LCR combina potentes funciones y alta precisión, que lo hacen idóneo para diseñar transformadores en diversos convertidores de conmutación. En la mayoría de los diseños de convertidores, la inductancia de fugas debe controlarse independientemente de si la energía de fugas se disipa en un circuito snubber o se reutiliza para la conmutación de voltaje cero en los convertidores resonantes. La posibilidad de medir varios elementos parasitarios de transformadores permite a los diseñadores crear un modelo de simulación muy preciso. En una línea de producción, realizar una medición de la inductancia de fugas asegura la calidad en los diseños de transformadores personalizados para las inspecciones de entrada.

ProductoDenominaciónN.º de referencia.
Medidor LCR, 300 kHz R&S®LCX100 3629.8856.02
Medidor LCR, 500 kHz R&S®LCX200 3629.8856.03
Cable de pinzas tipo Kelvin R&S®LCX-Z2 3638.6446.02