Як підібрати тонкий провід для вторинної сторони трансформатора швидкого зарядного пристрою (GaN / USB-PD)

GaN і USB-PD перевели AC-DC трансформатори в область «вищої частоти, меншого об'єму та вищої щільності потужності», і разом із цим змінилися правила для обмотки вторинної сторони. Ця стаття написана для інженерів-розробників і фахівців із закупівель трансформаторів для швидких зарядних пристроїв: чому вторинна сторона рухається до тонкого проводу та багатьох жил, коли доречний TIW із посиленою ізоляцією і які значення під час вибору правильно зазначати «згідно з Листом погодження».

Чому GaN / USB-PD штовхають трансформатор до високої частоти й тонкого проводу

Прилади GaN мають менші комутаційні втрати, тож у зворотноходових (flyback) топологіях, поширених у швидких зарядних пристроях (здебільшого квазірезонансний QR flyback або flyback з активним клампом, active clamp flyback), можна підняти частоту комутації. З підвищенням частоти за тієї самої потужності зменшуються і потрібна індуктивність, і об'єм магнітопроводу — саме це головний засіб, яким швидкі зарядні пристрої GaN / USB-PD досягають високої щільності потужності; на практиці частота сягає сотень kHz і аж до 1 MHz.

Але щойно частота зростає, за це розплачується обмотка: втрати в міді на змінному струмі на високій частоті (skin effect — скін-ефект, proximity effect — ефект близькості) стають одними з основних втрат. Скін-ефект зосереджує струм біля зовнішнього краю провідника, ефективний переріз зменшується, а високочастотний опір зростає; глибина проникнення (skin depth) у міді зменшується з підвищенням частоти — близько 0.21 mm на 100 kHz і приблизно 66 µm на 1 MHz. Інакше кажучи, на робочих частотах швидкого зарядного пристрою значна частина перерізу товстого одножильного проводу фактично «не проводить струм».

Чому вторинна сторона переходить на тонкий провід і багато жил

Вторинна сторона швидкого зарядного пристрою — це низька напруга та великий струм, та ще й на високій частоті. Якщо використати товстий одножильний провід, скін-ефект і ефект близькості зроблять високочастотний опір набагато більшим за опір постійному струму, і постраждають як нагрів, так і ККД. Поширена в галузі практика — перейти на кілька тонких жил, намотаних паралельно, або на скручений провід (включно з принципом літцендрату, litz), щоб діаметр кожної жили був меншим за одну глибину проникнення, а струм розподілявся між більшою кількістю жил; так знижують високочастотні втрати в міді. Поширене емпіричне правило — тримати діаметр однієї жили меншим приблизно за подвійну глибину проникнення.

Варто пам'ятати: ефект близькості не усувається самим лише зменшенням діаметра проводу — потрібно також працювати з розшаруванням обмотки та схемою намотування; це належить до ноу-хау виконання, і тут ми лише згадуємо про нього. Для сторони, що добирає матеріали, головне те, що вторинній стороні потрібен провід, який «можна виготовити тонкого діаметра і постачати у багатожильному / скрученому вигляді».

Посилена ізоляція та висока щільність потужності: перевага TIW без крайових стрічок

Між первинною та вторинною сторонами швидкого зарядного пристрою потрібна посилена ізоляція (reinforced insulation). Традиційний підхід спирається на «сендвіч»-намотку з крайовими стрічками (margin tape) з обох боків, щоб набрати шлях спливу та повітряний проміжок, але крайові поля з'їдають вікно намотування й суперечать меті «мініатюризації та високої щільності потужності».

Провід із потрійною ізоляцією (TIW) вбудовує посилену ізоляцію безпосередньо в провід. За оцінюванням на рівні компонента згідно з IEC 62368-1 Annex J застосування TIW значно спрощує шлях спливу та повітряний проміжок між обмотками — вони більше не є вузьким місцем вікна намотування; крайові стрічки можна прибрати й заповнити вікно повністю, що особливо вигідно для малогабаритних конструкцій із високою щільністю потужності, якими є швидкі зарядні пристрої. Нагадаємо: магнітопровід вважається струмопровідною частиною, тож шлях спливу та повітряний проміжок від обмотки до магнітопроводу та до виводів і далі потрібно зберігати згідно з нормами безпеки — не все обнуляється. Фактичні умови оцінювання та діапазони діаметрів кожного типу завжди визначаються Листом погодження; деталі стандарту тут не розглядаються.

Відмінності між TIW, звичайним емальованим проводом і FIW, а також зв'язок між класом нагрівостійкості та системою ізоляції в цілому див. у /news/tiw-vs-fiw-vs-enamelled-wire та /news/wire-vs-system-thermal-class.

Як серія DAH JIN TLW відповідає тонкому проводу вторинної сторони швидкого зарядного пристрою

DAH JIN — виробник проводу з потрійною ізоляцією (а не торговельна компанія) із власним заводом у Ґуйжені, Тайнань, Тайвань — виготовлено на Тайвані. Вимозі вторинної сторони швидкого зарядного пристрою «тонкий провід + багато жил + посилена ізоляція» безпосередньо відповідають кілька властивостей серії TLW:

• Серія TLW (TLW-B / TLW-BB) охоплює безперервний діапазон діаметрів від тонких до товстих, включно з тонким сегментом, потрібним для швидких зарядних пристроїв.
• TLW-B7S — скручений провід із 7 жил, що точно відповідає практиці розподілу струму між кількома жилами / скрученим проводом на високій частоті для зниження втрат у міді; є компонентом системи ізоляції DJ-130 (System Class 130(B)).
• TLW-F має клас нагрівостійкості Class F (155 °C), за VDE 40008834 (IEC 62368-1 Annex J) оцінений як Reinforced, і підходить для малогабаритних конструкцій із високою щільністю потужності та малим тепловим запасом.
• TLW-BB і TLW-B7S забезпечують посилену ізоляцію як TIW і підтримують компактне намотування без крайових стрічок із повним заповненням вікна.

У таблиці нижче типові вимоги вторинної сторони швидкого зарядного пристрою зіставлено з типами DAH JIN, які можуть їм відповідати; конкретні значення завжди згідно з Листом погодження.

• Розподіл струму між кількома жилами / скрученим проводом на високій частоті — Рішення：Скручений провід із 7 жил；Доступні типи DAH JIN：TLW-B7S；Характеристики：Діаметр жили та кількість жил згідно з Листом погодження
• Посилена ізоляція, повне вікно без крайових стрічок — Рішення：Посилена ізоляція TIW；Доступні типи DAH JIN：TLW-BB / TLW-B7S / TLW-F；Характеристики：Умови оцінювання згідно з Листом погодження
• Менший тепловий запас — Рішення：Class F (155 °C)；Доступні типи DAH JIN：TLW-F；Характеристики：Клас нагрівостійкості та діаметр проводу згідно з Листом погодження
• Тонкий сегмент — Рішення：Тонкий діаметр проводу；Доступні типи DAH JIN：Серія TLW；Характеристики：Діаметр проводу згідно з Листом погодження

Порядок вибору (як разом визначають діаметр проводу, кількість жил, клас нагрівостійкості та систему ізоляції) див. у /news/tiw-selection-guide; відповідність класу нагрівостійкості та системної ізоляції — у /news/wire-vs-system-thermal-class. Фактичний діаметр проводу, кількість жил і клас ізоляції для вторинної сторони швидкого зарядного пристрою визначайте за Листом погодження або звертайтеся до відділу продажів.