Chọn dây mảnh cho phía thứ cấp của biến áp sạc nhanh (GaN／USB-PD) như thế nào

GaN và USB-PD đã đẩy biến áp AC-DC vào vùng "tần số cao hơn, thể tích nhỏ hơn, mật độ công suất cao hơn", và quy tắc quấn dây phía thứ cấp cũng thay đổi theo. Bài viết này dành cho kỹ sư thiết kế và kỹ sư mua hàng biến áp sạc nhanh: vì sao phía thứ cấp đi theo hướng dây mảnh và nhiều sợi, khi nào nên dùng TIW có cách điện tăng cường, và khi chọn quy cách thì những giá trị nào ghi "theo tài liệu phê duyệt quy cách" mới đúng.

Vì sao GaN／USB-PD đẩy biến áp lên tần số cao và dây mảnh

Linh kiện GaN có tổn hao chuyển mạch thấp hơn, giúp các topology flyback thường dùng trong sạc nhanh (phần lớn là flyback tựa cộng hưởng QR, hoặc active clamp flyback) nâng được tần số chuyển mạch lên. Khi tần số tăng, với cùng công suất thì cả điện cảm cần thiết lẫn thể tích lõi từ đều có thể thu nhỏ — đây chính là cách chủ yếu để sạc nhanh GaN／USB-PD đạt mật độ công suất cao; trong thực tế tần số có thể đạt mức vài trăm kHz đến 1 MHz.

Nhưng tần số lên cao thì cái giá phải trả hiện ra ở dây quấn: tổn hao đồng xoay chiều ở tần số cao (skin effect hiệu ứng bề mặt, proximity effect hiệu ứng lân cận) trở thành một trong những tổn hao chính. Hiệu ứng bề mặt khiến dòng điện tập trung ở mép ngoài của ruột dẫn, tiết diện hiệu dụng nhỏ đi, điện trở tần số cao tăng lên; còn độ sâu bề mặt (skin depth) của đồng giảm khi tần số tăng, vào cỡ 0.21 mm ở 100 kHz và khoảng 66 µm ở 1 MHz. Nói cách khác, ở tần số làm việc của sạc nhanh, một sợi dây đơn cỡ lớn thực ra có phần lớn tiết diện "không dẫn điện".

Vì sao phía thứ cấp đi theo hướng dây mảnh và nhiều sợi

Phía thứ cấp của sạc nhanh là điện áp thấp, dòng lớn, lại làm việc ở tần số cao. Nếu dùng dây đơn cỡ lớn, hiệu ứng bề mặt và hiệu ứng lân cận sẽ khiến điện trở tần số cao lớn hơn nhiều so với điện trở một chiều, cả phát nhiệt lẫn hiệu suất đều chịu thiệt. Cách làm phổ biến trong ngành là chuyển sang nhiều sợi dây mảnh quấn song song hoặc dây xoắn (bao gồm cả khái niệm dây litz), để đường kính mỗi sợi nhỏ hơn một độ sâu bề mặt và dòng điện được chia cho nhiều sợi hơn, nhờ đó kéo tổn hao đồng xoay chiều ở tần số cao xuống; quy tắc kinh nghiệm thường gặp là giữ đường kính mỗi sợi nhỏ hơn khoảng hai lần độ sâu bề mặt.

Cần lưu ý: hiệu ứng lân cận không thể giải quyết chỉ bằng cách thu nhỏ đường kính dây, mà còn phải phối hợp với cách phân lớp cuộn dây và cách sắp xếp quấn — phần này thuộc know-how triển khai, chỉ nhắc đến ở mức điểm qua. Đối với bên chọn vật liệu, điểm mấu chốt là "phía thứ cấp cần ruột dẫn làm được đường kính mảnh và cung cấp được ở dạng nhiều sợi／dây xoắn".

Cách điện tăng cường và mật độ công suất cao: lợi thế không cần margin của TIW

Giữa phía sơ cấp và thứ cấp của sạc nhanh cần cách điện tăng cường (reinforced insulation). Cách làm truyền thống dựa vào quấn xen kẽ kiểu sandwich cộng với băng margin (margin tape) ở hai bên để tạo đủ chiều dài đường rò và khe hở không khí, nhưng phần margin ăn mất cửa sổ quấn dây, mâu thuẫn với mục tiêu "nhỏ gọn, mật độ công suất cao".

Dây cách điện ba lớp (TIW) đưa cách điện tăng cường vào ngay trong bản thân ruột dẫn. Theo đánh giá ở cấp linh kiện của IEC 62368-1 Annex J, khi dùng TIW thì chiều dài đường rò và khe hở không khí giữa cuộn dây với cuộn dây được đơn giản hóa đáng kể, không còn là điểm nghẽn của cửa sổ quấn dây; có thể bỏ margin và quấn đầy cửa sổ — điều này đặc biệt có lợi cho thiết kế nhỏ gọn, mật độ công suất cao như sạc nhanh. Cần nhắc rằng: lõi từ được coi là bộ phận dẫn điện, nên chiều dài đường rò và khe hở không khí từ cuộn dây đến lõi từ, đến đầu nối vẫn phải giữ theo tiêu chuẩn an toàn, không phải tất cả đều về không. Còn điều kiện đánh giá thực tế và dải đường kính dây của từng mã sản phẩm, tất cả đều lấy tài liệu phê duyệt quy cách làm chuẩn; chi tiết tiêu chuẩn không bàn sâu ở đây.

Sự khác biệt giữa TIW với dây tráng men thông thường và FIW, cũng như mối quan hệ giữa cấp chịu nhiệt và hệ thống cách điện tổng thể, có thể tham khảo /news/tiw-vs-fiw-vs-enamelled-wire và /news/wire-vs-system-thermal-class.

Dòng TLW của DAH JIN đáp ứng dây mảnh phía thứ cấp sạc nhanh ra sao

DAH JIN là nhà sản xuất dây cách điện ba lớp (không phải công ty thương mại), có nhà máy riêng tại Quy Nhân (Guiren), Đài Nam, Đài Loan — sản xuất tại Đài Loan. Đối với nhu cầu "dây mảnh＋nhiều sợi＋cách điện tăng cường" của phía thứ cấp sạc nhanh, một số đặc tính của dòng TLW đáp ứng trực tiếp:

• Dòng TLW (TLW-B／TLW-BB) có đường kính dây bao phủ dải liên tục từ mảnh đến lớn, bao gồm cả đoạn dây mảnh mà sạc nhanh cần.
• TLW-B7S là dạng dây xoắn 7 sợi, đúng với cách chia dòng bằng nhiều sợi／dây xoắn ở tần số cao để hạ tổn hao đồng xoay chiều; là linh kiện của hệ thống cách điện DJ-130 (System Class 130(B)).
• TLW-F có cấp chịu nhiệt Class F (155 °C), được đánh giá là Reinforced theo VDE 40008834 (IEC 62368-1 Annex J), phù hợp với thiết kế nhỏ gọn mật độ công suất cao có dự trữ nhiệt khá eo hẹp.
• TLW-BB và TLW-B7S cung cấp cách điện tăng cường ở dạng TIW, hỗ trợ quấn gọn không cần margin và quấn đầy cửa sổ.

Bảng dưới đây đối chiếu các nhu cầu thường gặp của phía thứ cấp sạc nhanh với các mã sản phẩm DAH JIN có thể đáp ứng; giá trị cụ thể luôn lấy tài liệu phê duyệt quy cách làm chuẩn.

• Chia dòng bằng nhiều sợi／dây xoắn ở tần số cao — Cách đáp ứng：Dây xoắn 7 sợi；Mã sản phẩm DAH JIN có thể chọn：TLW-B7S；Quy cách：Đường kính mỗi sợi, số sợi theo tài liệu phê duyệt quy cách
• Cách điện tăng cường, quấn đầy cửa sổ không cần margin — Cách đáp ứng：Cách điện tăng cường bằng TIW；Mã sản phẩm DAH JIN có thể chọn：TLW-BB／TLW-B7S／TLW-F；Quy cách：Điều kiện đánh giá theo tài liệu phê duyệt quy cách
• Dự trữ nhiệt eo hẹp hơn — Cách đáp ứng：Class F (155 °C)；Mã sản phẩm DAH JIN có thể chọn：TLW-F；Quy cách：Cấp chịu nhiệt, đường kính dây theo tài liệu phê duyệt quy cách
• Đoạn dây mảnh — Cách đáp ứng：Đường kính dây mảnh；Mã sản phẩm DAH JIN có thể chọn：Dòng TLW；Quy cách：Đường kính dây theo tài liệu phê duyệt quy cách

Các bước chọn quy cách (đường kính dây, số sợi, cấp chịu nhiệt, hệ thống cách điện quyết định cùng nhau như thế nào) có thể tham khảo /news/tiw-selection-guide; sự tương ứng giữa cấp chịu nhiệt và cách điện hệ thống xem tại /news/wire-vs-system-thermal-class. Đường kính dây, số sợi và cấp cách điện thực tế của phía thứ cấp sạc nhanh, vui lòng lấy tài liệu phê duyệt quy cách làm chuẩn, hoặc liên hệ bộ phận kinh doanh.