GaN e USB-PD empurraram os transformadores AC-DC para a região de "frequência mais alta, volume menor e densidade de potência mais alta", e as regras do enrolamento secundário mudaram junto. Este artigo é dirigido aos engenheiros de projeto e de compras de transformadores para carregadores rápidos: por que o secundário caminha para o fio fino e para vários fios, quando usar um TIW com isolação reforçada e quais valores, na seleção, devem corretamente ser indicados "conforme o documento de aprovação".
GaN e USB-PD empurraram os transformadores AC-DC para a região de "frequência mais alta, volume menor e densidade de potência mais alta", e as regras do enrolamento secundário mudaram junto. Este artigo é dirigido aos engenheiros de projeto e de compras de transformadores para carregadores rápidos: por que o secundário caminha para o fio fino e para vários fios, quando usar um TIW com isolação reforçada e quais valores, na seleção, devem corretamente ser indicados "conforme o documento de aprovação".
Por que GaN / USB-PD empurram o transformador para a alta frequência e o fio fino
Os dispositivos GaN têm perdas de comutação menores, o que permite às topologias flyback comuns em carregadores rápidos (na maioria flyback quase-ressonante QR, ou active clamp flyback com grampeamento ativo) elevar a frequência de comutação. Com a frequência mais alta, tanto a indutância necessária quanto o volume do núcleo diminuem para a mesma potência — essa é justamente a principal alavanca com que os carregadores rápidos GaN / USB-PD atingem alta densidade de potência; na prática, a frequência pode chegar à faixa de algumas centenas de kHz até 1 MHz.
Mas, assim que a frequência sobe, o preço aparece no enrolamento: as perdas no cobre em CA em alta frequência (skin effect – efeito pelicular, proximity effect – efeito de proximidade) tornam-se uma das perdas principais. O efeito pelicular concentra a corrente na borda externa do condutor, a seção efetiva diminui e a resistência em alta frequência aumenta; a profundidade de penetração (skin depth) do cobre diminui conforme a frequência sobe, da ordem de 0.21 mm a 100 kHz e cerca de 66 µm a 1 MHz. Em outras palavras, nas frequências de operação de um carregador rápido, grande parte da seção de um fio grosso de condutor único simplesmente "não conduz".
Por que o secundário passa ao fio fino e a vários fios
O secundário de um carregador rápido é de baixa tensão e alta corrente, e ainda opera em alta frequência. Com um fio grosso de condutor único, os efeitos pelicular e de proximidade fazem a resistência em alta frequência ficar muito acima da resistência CC, e tanto o aquecimento quanto a eficiência saem prejudicados. A prática comum do setor é passar a vários fios finos enrolados em paralelo ou a um condutor encordoado (incluindo o conceito de fio Litz), de modo que o diâmetro de cada fio seja menor que uma profundidade de penetração e a corrente se distribua por mais fios, reduzindo assim as perdas no cobre em CA em alta frequência; uma regra prática comum é manter o diâmetro de cada fio abaixo de aproximadamente o dobro da profundidade de penetração.
Vale observar que o efeito de proximidade não se resolve apenas reduzindo o diâmetro do fio; é preciso combinar com a distribuição em camadas e o arranjo do enrolamento — isso pertence ao know-how de fabricação e aqui é apenas mencionado. Para quem seleciona o material, o essencial é que "o secundário precisa de um condutor que possa ser fabricado em diâmetros finos e fornecido na forma de vários fios / encordoado".
Isolação reforçada e alta densidade de potência: a vantagem sem margens do TIW
Entre o primário e o secundário de um carregador rápido é exigida isolação reforçada (reinforced insulation). O método tradicional apoia-se nos enrolamentos intercalados (sanduíche) mais fita de margem (margin tape) dos dois lados para obter a linha de fuga e a distância de isolamento, mas as margens consomem janela do núcleo e vão contra o objetivo de "miniaturização e alta densidade de potência".
O fio com isolamento triplo (TIW) incorpora a isolação reforçada no próprio condutor. Segundo a avaliação em nível de componente da IEC 62368-1 Annex J, com TIW a linha de fuga e a distância de isolamento entre enrolamentos simplificam-se muito e deixam de ser o gargalo da janela do núcleo; é possível dispensar as margens e enrolar a janela inteira — algo especialmente favorável aos projetos compactos de alta densidade de potência dos carregadores rápidos. É preciso lembrar que o núcleo é considerado uma parte condutora, de modo que a linha de fuga e a distância de isolamento do enrolamento ao núcleo e aos terminais continuam a ter de ser mantidas conforme a norma de segurança; nem tudo vai a zero. Quanto às condições reais de avaliação e às faixas de diâmetro de cada tipo, regem-se sempre pelo documento de aprovação; os detalhes da norma não são aprofundados aqui.
Para as diferenças entre TIW, fio esmaltado comum e FIW, bem como a relação entre classe térmica e o sistema de isolamento como um todo, consulte /news/tiw-vs-fiw-vs-enamelled-wire e /news/wire-vs-system-thermal-class.
Como a série TLW da DAH JIN atende ao fio fino do secundário de carregador rápido
A DAH JIN é fabricante de fio com isolamento triplo (não uma empresa comercial), com fábrica própria em Guiren, Tainan, Taiwan — fabricado em Taiwan. Para a necessidade "fio fino + vários fios + isolação reforçada" do secundário de carregador rápido, várias características da série TLW se aplicam diretamente:
- A série TLW (TLW-B / TLW-BB) cobre uma faixa contínua de diâmetros do fino ao grosso, incluindo a faixa de fio fino de que os carregadores rápidos precisam.
- O TLW-B7S é uma versão encordoada de 7 fios, correspondendo exatamente à prática de distribuir a corrente por vários fios / condutor encordoado em alta frequência para reduzir as perdas no cobre em CA; é componente do sistema de isolamento DJ-130 (System Class 130(B)).
- O TLW-F é de classe térmica Class F (155 °C), avaliado como Reinforced conforme VDE 40008834 (IEC 62368-1 Annex J), adequado a projetos compactos de alta densidade de potência com margem térmica apertada.
- O TLW-BB e o TLW-B7S fornecem isolação reforçada como TIW e permitem um enrolamento compacto, sem margens e com janela cheia.
A tabela abaixo relaciona as necessidades comuns do secundário de carregador rápido com os tipos DAH JIN que podem atendê-las; os valores concretos regem-se sempre pelo documento de aprovação.
- Distribuição de corrente em vários fios / encordoado em alta frequência — Solução：Encordoado de 7 fios；Tipos DAH JIN disponíveis：TLW-B7S；Especificação：Diâmetro de cada fio e número de fios conforme o documento de aprovação
- Isolação reforçada, janela cheia sem margens — Solução：Isolação reforçada por TIW；Tipos DAH JIN disponíveis：TLW-BB / TLW-B7S / TLW-F；Especificação：Condições de avaliação conforme o documento de aprovação
- Margem térmica mais apertada — Solução：Class F (155 °C)；Tipos DAH JIN disponíveis：TLW-F；Especificação：Classe térmica e diâmetro conforme o documento de aprovação
- Faixa de fio fino — Solução：Diâmetro fino；Tipos DAH JIN disponíveis：Série TLW；Especificação：Diâmetro conforme o documento de aprovação
Os passos de seleção (como diâmetro, número de fios, classe térmica e sistema de isolamento são decididos em conjunto) podem ser consultados em /news/tiw-selection-guide; a correspondência entre classe térmica e isolamento do sistema, em /news/wire-vs-system-thermal-class. Para o diâmetro, o número de fios e o grau de isolamento reais do secundário de carregador rápido, consulte o documento de aprovação ou entre em contato com nossa equipe comercial.
Perguntas frequentes
O secundário de um carregador rápido deve usar um fio grosso de condutor único ou fio fino de vários fios / encordoado?
No ponto de operação de alta frequência de um carregador rápido, as perdas no cobre em CA (efeitos pelicular e de proximidade) de um fio grosso de condutor único são elevadas; o setor costuma passar a vários fios finos enrolados em paralelo ou a um condutor encordoado para distribuir a corrente, mantendo o diâmetro de cada fio abaixo de uma profundidade de penetração. O TLW-B7S da DAH JIN é um condutor encordoado de 7 fios que atende exatamente a essa necessidade; diâmetro de cada fio e número de fios conforme o documento de aprovação.
Se o TIW for usado no secundário, ainda é preciso manter linha de fuga / distância de isolamento entre os enrolamentos?
O TIW é avaliado como isolação reforçada conforme IEC 62368-1 Annex J, de modo que a linha de fuga e a distância de isolamento entre enrolamentos deixam de ser o gargalo da janela do núcleo e as margens podem ser dispensadas; mas o núcleo é considerado uma parte condutora, e a linha de fuga e a distância de isolamento do enrolamento ao núcleo e aos terminais continuam a ter de ser mantidas conforme a norma de segurança. Condições de avaliação de cada tipo conforme o documento de aprovação.
Para um carregador rápido compacto de alta densidade de potência, escolher 130(B) ou Class F?
Depende da temperatura real do ponto quente do enrolamento e do projeto do sistema de isolamento como um todo. A DAH JIN oferece 130(B) nos TLW-B / TLW-BB / TLW-B7S e Class F (155 °C) no TLW-F; a relação entre classe térmica e isolamento do sistema está em /news/wire-vs-system-thermal-class, os passos de seleção em /news/tiw-selection-guide, e a classe real rege-se pelo documento de aprovação.
Até que diâmetro pode chegar a faixa de fio fino do secundário?
A série TLW da DAH JIN cobre a faixa de fio fino de que os carregadores rápidos precisam, e o TLW-B7S é fornecido como condutor encordoado de 7 fios; para o diâmetro mínimo e o número de fios reais do secundário de carregador rápido, consulte o documento de aprovação ou entre em contato com nossa equipe comercial para confirmar a faixa disponível.