GaN y USB-PD han empujado los transformadores AC-DC hacia la zona de «mayor frecuencia, menor volumen y mayor densidad de potencia», y las reglas del bobinado secundario han cambiado con ellos. Este artículo está dirigido a los ingenieros de diseño y de compras de transformadores para cargadores rápidos: por qué el secundario tiende al hilo fino y a varios hilos, cuándo conviene usar un TIW con aislamiento reforzado y qué valores, al seleccionar, es correcto indicar «según el documento de aprobación».
GaN y USB-PD han empujado los transformadores AC-DC hacia la zona de «mayor frecuencia, menor volumen y mayor densidad de potencia», y las reglas del bobinado secundario han cambiado con ellos. Este artículo está dirigido a los ingenieros de diseño y de compras de transformadores para cargadores rápidos: por qué el secundario tiende al hilo fino y a varios hilos, cuándo conviene usar un TIW con aislamiento reforzado y qué valores, al seleccionar, es correcto indicar «según el documento de aprobación».
Por qué GaN / USB-PD empujan el transformador hacia la alta frecuencia y el hilo fino
Los dispositivos GaN tienen menores pérdidas de conmutación, lo que permite a las topologías flyback habituales en cargadores rápidos (en su mayoría flyback cuasi-resonante QR, o active clamp flyback) elevar la frecuencia de conmutación. Al subir la frecuencia, tanto la inductancia necesaria como el volumen del núcleo se reducen a igual potencia; esa es precisamente la palanca principal con la que los cargadores rápidos GaN / USB-PD alcanzan una alta densidad de potencia; en la práctica, la frecuencia puede llegar al rango de varios cientos de kHz hasta 1 MHz.
Pero en cuanto sube la frecuencia, el precio se paga en el bobinado: las pérdidas en el cobre en CA a alta frecuencia (skin effect – efecto pelicular, proximity effect – efecto de proximidad) se convierten en una de las pérdidas principales. El efecto pelicular concentra la corriente en el borde exterior del conductor, la sección eficaz disminuye y la resistencia en alta frecuencia aumenta; la profundidad de penetración (skin depth) del cobre se reduce al subir la frecuencia, del orden de 0.21 mm a 100 kHz y de unos 66 µm a 1 MHz. Dicho de otro modo, a las frecuencias de trabajo de un cargador rápido, gran parte de la sección de un hilo grueso de un solo conductor sencillamente «no conduce».
Por qué el secundario pasa al hilo fino y a varios hilos
El secundario de un cargador rápido es de baja tensión y alta corriente, y además trabaja a alta frecuencia. Con un hilo grueso de un solo conductor, los efectos pelicular y de proximidad hacen que la resistencia en alta frecuencia sea muy superior a la resistencia en CC, y tanto el calentamiento como el rendimiento se resienten. La práctica habitual del sector es pasar a varios hilos finos bobinados en paralelo o a un conductor cableado (incluido el concepto de hilo de Litz), de modo que el diámetro de cada hilo sea menor que una profundidad de penetración y la corriente se reparta entre más hilos, reduciendo así las pérdidas en el cobre en CA a alta frecuencia; una regla práctica común es mantener el diámetro de cada hilo por debajo de aproximadamente el doble de la profundidad de penetración.
Conviene tener en cuenta que el efecto de proximidad no se resuelve solo reduciendo el diámetro del hilo; hay que combinarlo con la distribución en capas y la disposición del bobinado, lo cual pertenece al know-how de fabricación y aquí solo se menciona de paso. Para quien selecciona el material, lo esencial es que «el secundario necesita un conductor que pueda fabricarse en diámetros finos y suministrarse en forma de varios hilos / cableado».
Aislamiento reforzado y alta densidad de potencia: la ventaja sin márgenes del TIW
Entre el primario y el secundario de un cargador rápido se requiere aislamiento reforzado (reinforced insulation). El método tradicional se apoya en el bobinado sándwich más margin tape (cinta de margen) a ambos lados para conseguir la línea de fuga y la distancia de aislamiento, pero los márgenes consumen ventana de bobinado y tiran en contra del objetivo de «miniaturización y alta densidad de potencia».
El hilo de triple aislamiento (TIW) incorpora el aislamiento reforzado en el propio conductor. Según la evaluación a nivel de componente de IEC 62368-1 Annex J, con TIW la línea de fuga y la distancia de aislamiento entre devanados se simplifican enormemente y dejan de ser el cuello de botella de la ventana de bobinado; pueden suprimirse los márgenes y bobinar la ventana completa, algo especialmente favorable para los diseños compactos de alta densidad de potencia de los cargadores rápidos. Hay que recordar que el núcleo se considera una parte conductora, por lo que la línea de fuga y la distancia de aislamiento del devanado al núcleo y a los terminales deben seguir manteniéndose según la norma de seguridad; no todo queda a cero. En cuanto a las condiciones reales de evaluación y los rangos de diámetro de cada tipo, se rigen siempre por el documento de aprobación; los detalles de la norma no se desarrollan aquí.
Para las diferencias entre TIW, hilo esmaltado convencional y FIW, así como la relación entre clase térmica y sistema de aislamiento global, consulte /news/tiw-vs-fiw-vs-enamelled-wire y /news/wire-vs-system-thermal-class.
Cómo responde la serie TLW de DAH JIN al hilo fino del secundario de cargador rápido
DAH JIN es fabricante de hilo de triple aislamiento (no una empresa comercializadora), con fábrica propia en Guiren, Tainan, Taiwán; fabricado en Taiwán. Frente a la necesidad «hilo fino + varios hilos + aislamiento reforzado» del secundario de cargador rápido, varias características de la serie TLW encajan directamente:
- La serie TLW (TLW-B / TLW-BB) cubre un rango continuo de diámetros de fino a grueso, incluido el tramo de hilo fino que necesitan los cargadores rápidos.
- TLW-B7S es una versión cableada de 7 hilos, que corresponde exactamente a la práctica de repartir la corriente entre varios hilos / conductor cableado a alta frecuencia para reducir las pérdidas en el cobre en CA; es componente del sistema de aislamiento DJ-130 (System Class 130(B)).
- TLW-F es de clase térmica Class F (155 °C), evaluado como Reinforced según VDE 40008834 (IEC 62368-1 Annex J), adecuado para diseños compactos de alta densidad de potencia con un margen térmico ajustado.
- TLW-BB y TLW-B7S proporcionan aislamiento reforzado como TIW y permiten un bobinado compacto sin márgenes y con ventana completa.
La tabla siguiente relaciona las necesidades habituales del secundario de cargador rápido con los tipos DAH JIN que pueden corresponderles; los valores concretos se rigen siempre por el documento de aprobación.
- Reparto de corriente en varios hilos / cableado a alta frecuencia — Solución：Cableado de 7 hilos；Tipos DAH JIN disponibles：TLW-B7S；Especificación：Diámetro de cada hilo y número de hilos según el documento de aprobación
- Aislamiento reforzado, ventana completa sin márgenes — Solución：Aislamiento reforzado mediante TIW；Tipos DAH JIN disponibles：TLW-BB / TLW-B7S / TLW-F；Especificación：Condiciones de evaluación según el documento de aprobación
- Margen térmico más ajustado — Solución：Class F (155 °C)；Tipos DAH JIN disponibles：TLW-F；Especificación：Clase térmica y diámetro según el documento de aprobación
- Tramo de hilo fino — Solución：Diámetro fino；Tipos DAH JIN disponibles：Serie TLW；Especificación：Diámetro según el documento de aprobación
Los pasos de selección (cómo se deciden conjuntamente diámetro, número de hilos, clase térmica y sistema de aislamiento) pueden consultarse en /news/tiw-selection-guide; la correspondencia entre clase térmica y aislamiento del sistema, en /news/wire-vs-system-thermal-class. Para el diámetro, el número de hilos y el grado de aislamiento reales del secundario de cargador rápido, consulte el documento de aprobación o contacte con nuestro departamento comercial.
Preguntas frecuentes
¿El secundario de un cargador rápido debe usar un hilo grueso de un solo conductor o hilo fino de varios hilos / cableado?
En el punto de trabajo de alta frecuencia de un cargador rápido, las pérdidas en el cobre en CA (efectos pelicular y de proximidad) de un hilo grueso de un solo conductor son elevadas; el sector suele pasar a varios hilos finos bobinados en paralelo o a un conductor cableado para repartir la corriente, manteniendo el diámetro de cada hilo por debajo de una profundidad de penetración. El TLW-B7S de DAH JIN es un conductor cableado de 7 hilos que responde exactamente a esta necesidad; diámetro de cada hilo y número de hilos según el documento de aprobación.
Si se usa TIW en el secundario, ¿hay que seguir dejando línea de fuga / distancia de aislamiento entre devanados?
El TIW está evaluado como aislamiento reforzado según IEC 62368-1 Annex J, de modo que la línea de fuga y la distancia de aislamiento entre devanados dejan de ser el cuello de botella de la ventana de bobinado y pueden suprimirse los márgenes; pero el núcleo se considera una parte conductora, y la línea de fuga y la distancia de aislamiento del devanado al núcleo y a los terminales deben seguir manteniéndose según la norma de seguridad. Condiciones de evaluación de cada tipo según el documento de aprobación.
Para un cargador rápido compacto de alta densidad de potencia, ¿conviene elegir 130(B) o Class F?
Depende de la temperatura real del punto caliente del devanado y del diseño del sistema de aislamiento global. DAH JIN ofrece 130(B) en TLW-B / TLW-BB / TLW-B7S y Class F (155 °C) en TLW-F; la relación entre clase térmica y aislamiento del sistema está en /news/wire-vs-system-thermal-class, los pasos de selección en /news/tiw-selection-guide, y la clase real se rige por el documento de aprobación.
¿Hasta qué diámetro puede llegar el tramo de hilo fino del secundario?
La serie TLW de DAH JIN cubre el tramo de hilo fino que necesitan los cargadores rápidos, y el TLW-B7S se suministra como conductor cableado de 7 hilos; para el diámetro mínimo y el número de hilos reales del secundario de cargador rápido, consulte el documento de aprobación o contacte con nuestro departamento comercial para confirmar el rango disponible.