Jak navrhnout jemný vodič sekundární strany transformátoru rychlonabíječky (GaN / USB-PD)

GaN a USB-PD posunuly AC-DC transformátory do oblasti „vyššího kmitočtu, menšího objemu a vyšší hustoty výkonu“ a s tím se změnila i pravidla pro vinutí sekundární strany. Tento článek je určen konstruktérům a nákupčím transformátorů pro rychlonabíječky: proč sekundární strana směřuje k jemným vodičům a více pramenům, kdy použít TIW se zesílenou izolací a které hodnoty je při výběru správné uvádět „podle schvalovacího listu“.

Proč GaN / USB-PD posouvají transformátor k vysokému kmitočtu a jemnému vodiči

Součástky GaN mají nižší spínací ztráty, což u topologií blokujícího měniče (flyback) běžně používaných v rychlonabíječkách (většinou kvazirezonanční QR flyback nebo flyback s aktivním clampem, active clamp flyback) umožňuje zvýšit spínací kmitočet. S vyšším kmitočtem se při stejném výkonu zmenší jak potřebná indukčnost, tak objem jádra — právě to je hlavní nástroj, kterým rychlonabíječky GaN / USB-PD dosahují vysoké hustoty výkonu; v praxi kmitočet dosahuje řádu stovek kHz až 1 MHz.

Jakmile však kmitočet vzroste, projeví se daň na straně vinutí: ztráty v mědi při vysokém kmitočtu (skin effect – skin efekt, proximity effect – jev blízkosti) se stávají jednou z hlavních ztrát. Skin efekt soustředí proud k vnějšímu okraji vodiče, účinný průřez se zmenší a vysokofrekvenční odpor roste; hloubka vniku (skin depth) v mědi se s rostoucím kmitočtem zmenšuje, řádově 0.21 mm při 100 kHz a asi 66 µm při 1 MHz. Jinými slovy, při pracovních kmitočtech rychlonabíječky velká část průřezu tlustého jednopramenného vodiče ve skutečnosti „nevede“.

Proč sekundární strana směřuje k jemným vodičům a více pramenům

Sekundární strana rychlonabíječky pracuje s nízkým napětím a velkým proudem, a navíc při vysokém kmitočtu. Při použití tlustého jednopramenného vodiče způsobí skin efekt a jev blízkosti, že vysokofrekvenční odpor je mnohem vyšší než stejnosměrný, a trpí tím jak oteplení, tak účinnost. Běžnou praxí v oboru je přejít na více jemných pramenů vinutých paralelně nebo na slaněný vodič (včetně principu vysokofrekvenčního lanka, litz), aby průměr každého pramene byl menší než jedna hloubka vniku a proud se rozdělil na více pramenů; tím se vysokofrekvenční ztráty v mědi sníží. Běžným empirickým pravidlem je držet průměr jednoho pramene pod přibližně dvojnásobkem hloubky vniku.

Je třeba mít na paměti, že jev blízkosti nelze vyřešit pouhým zmenšením průměru vodiče; je nutné jej řešit i rozvržením vrstev vinutí a způsobem navíjení — to patří k realizačnímu know-how a zde se o něm jen zmiňujeme. Pro výběr materiálu je podstatné, že sekundární strana potřebuje vodič, který „lze vyrobit v jemných průměrech a dodat ve vícepramenné / slaněné podobě“.

Zesílená izolace a vysoká hustota výkonu: výhoda TIW bez okrajů

Mezi primární a sekundární stranou rychlonabíječky je vyžadována zesílená izolace (reinforced insulation). Tradiční postup spoléhá na sendvičové vinutí doplněné okrajovými páskami (margin tape) po obou stranách, které vytvoří povrchovou cestu a vzdušnou vzdálenost; okraje však ukrajují z okna vinutí a jdou proti cíli „miniaturizace a vysoké hustoty výkonu“.

Vodič s trojitou izolací (TIW) zabudovává zesílenou izolaci přímo do vodiče. Podle hodnocení na úrovni součástky dle IEC 62368-1 Annex J se při použití TIW povrchová cesta a vzdušná vzdálenost mezi vinutími výrazně zjednoduší a přestanou být úzkým místem okna vinutí; okraje lze vypustit a okno plně navinout — což je pro malé konstrukce s vysokou hustotou výkonu, jakými rychlonabíječky jsou, zvlášť výhodné. Je však třeba připomenout: jádro se považuje za vodivou část, takže povrchová cesta a vzdušná vzdálenost mezi vinutím a jádrem i mezi vinutím a vývody se musí nadále dodržet podle bezpečnostní normy; nic se nenuluje úplně. Skutečné podmínky hodnocení a rozsahy průměrů jednotlivých typů se vždy řídí schvalovacím listem; podrobnosti normy zde nerozebíráme.

Rozdíly mezi TIW, běžným lakovaným vodičem a FIW, jakož i vztah mezi tepelnou třídou a celým izolačním systémem, najdete v /news/tiw-vs-fiw-vs-enamelled-wire a /news/wire-vs-system-thermal-class.

Jak řada DAH JIN TLW odpovídá jemnému vodiči sekundární strany rychlonabíječky

DAH JIN je výrobce vodičů s trojitou izolací (nikoli obchodní firma) s vlastním závodem v Guirenu, Tchaj-nan, Tchaj-wan — vyrobeno na Tchaj-wanu. Požadavku sekundární strany rychlonabíječky „jemný vodič + více pramenů + zesílená izolace“ přímo odpovídá několik vlastností řady TLW:

• Řada TLW (TLW-B / TLW-BB) pokrývá souvislý rozsah průměrů od jemných po tlusté, včetně jemného segmentu, který rychlonabíječky potřebují.
• TLW-B7S je slaněné provedení ze 7 pramenů, přesně odpovídající postupu rozdělení proudu na více pramenů / slaněný vodič při vysokém kmitočtu kvůli snížení ztrát v mědi; je součástí izolačního systému DJ-130 (System Class 130(B)).
• TLW-F má tepelnou třídu Class F (155 °C), podle VDE 40008834 (IEC 62368-1 Annex J) hodnocen jako Reinforced, a hodí se pro malé konstrukce s vysokou hustotou výkonu a napjatou tepelnou rezervou.
• TLW-BB a TLW-B7S poskytují jako TIW zesílenou izolaci a umožňují kompaktní navíjení bez okrajů s plně využitým oknem.

Následující tabulka přiřazuje běžné požadavky sekundární strany rychlonabíječky k typům DAH JIN, které jim mohou odpovídat; konkrétní hodnoty se vždy řídí schvalovacím listem.

• Rozdělení proudu na více pramenů / slaněný vodič při vysokém kmitočtu — Řešení：Slaněný vodič ze 7 pramenů；Volitelné typy DAH JIN：TLW-B7S；Specifikace：Průměr pramene a počet pramenů podle schvalovacího listu
• Zesílená izolace, plně využité okno bez okrajů — Řešení：Zesílená izolace TIW；Volitelné typy DAH JIN：TLW-BB / TLW-B7S / TLW-F；Specifikace：Podmínky hodnocení podle schvalovacího listu
• Napjatější tepelná rezerva — Řešení：Class F (155 °C)；Volitelné typy DAH JIN：TLW-F；Specifikace：Tepelná třída a průměr vodiče podle schvalovacího listu
• Jemný segment — Řešení：Jemný průměr vodiče；Volitelné typy DAH JIN：Řada TLW；Specifikace：Průměr vodiče podle schvalovacího listu

Postup výběru (jak se společně určuje průměr vodiče, počet pramenů, tepelná třída a izolační systém) najdete v /news/tiw-selection-guide; vztah tepelné třídy a systémové izolace v /news/wire-vs-system-thermal-class. Skutečný průměr vodiče, počet pramenů a třídu izolace pro sekundární stranu rychlonabíječky vždy ověřte podle schvalovacího listu nebo se obraťte na obchodní oddělení.