¿Cuáles son los requisitos especiales del proceso para la terminación con toma central en transformadores de alta frecuencia?

Los transformadores de alta frecuencia desempeñan un papel fundamental en los dispositivos electrónicos modernos, especialmente en fuentes de alimentación conmutadas, inversores y circuitos de radiofrecuencia. La toma central, como elemento clave de diseño de estos transformadores, influye directamente en su rendimiento, eficiencia y fiabilidad. Este artículo analiza los requisitos de proceso específicos para la terminación de la toma central en transformadores de alta frecuencia, lo que ayuda a los ingenieros de diseño y fabricantes a optimizar el rendimiento del producto y a cumplir con las normas internacionales y las mejores prácticas del sector.

Contenido

1. Concepto básico e importancia de la toma central en transformadores de alta frecuencia

En comparación con los transformadores de baja frecuencia, los transformadores de alta frecuencia (TAF) suelen operar a frecuencias superiores a 20 kHz, llegando algunas aplicaciones a niveles de MHz. Una toma central es un terminal adicional conectado al punto medio del devanado del transformador. Este diseño permite que el transformador proporcione tensiones de salida bidireccionales simétricas o que logre topologías de circuito específicas.

En aplicaciones de alta frecuencia, la toma central es especialmente importante. En los convertidores push-pull, sirve como punto de conexión común para dos transistores de conmutación. En los circuitos rectificadores de onda completa, simplifica las configuraciones de diodos. Para la transmisión de señales diferenciales, proporciona un excelente rechazo al ruido de modo común. Según la norma IEEE Std C57.110-2018, los diseños de transformadores de alta frecuencia deben considerar las pérdidas adicionales debidas al efecto pelicular y al efecto de proximidad, y una correcta terminación de la toma central puede optimizar la distribución de estas pérdidas.

2. Proceso de control de simetría para la terminación de la toma central

La simetría es el requisito de proceso más crítico para las tomas centrales en transformadores de alta frecuencia, ya que afecta directamente al equilibrio de la tensión de salida y a la estabilidad del circuito. En la práctica, el control de la simetría implica tres dimensiones: simetría eléctrica, simetría geométrica y simetría térmica.

● Simetría eléctrica:Se requiere el mismo número exacto de espiras a ambos lados de la toma central. En bobinados multicapa, cada capa debe mantener el mismo número de espiras. Por ejemplo, en un bobinado secundario típico de 4 capas, la toma central debe colocarse entre la segunda y la tercera capa para garantizar la simetría. Los estudios demuestran que una desviación de espiras superior al 0.5 % puede provocar una polarización de CC en circuitos push-pull, lo que aumenta el riesgo de saturación del núcleo.

● Simetría geométrica:Implica un control preciso sobre el

Tabla 1: Comparación de la simetría del devanado de la toma central 

Disposición física de los devanados:

El método optimizado utiliza la tecnología de bobinado bifilar, donde dos hilos aislados se bobinan simultáneamente a ambos lados de la toma central, garantizando una simetría geométrica perfecta. Si bien esto dificulta el bobinado, reduce la asimetría a menos del 0.5 % y disminuye las pérdidas por efecto de proximidad hasta en un 30 %. 

3. Requisitos del proceso para minimizar las pérdidas de alta frecuencia

Las pérdidas en transformadores de alta frecuencia incluyen principalmente pérdidas en los devanados (pérdidas en el cobre) y pérdidas en el núcleo (pérdidas en el hierro), siendo la conexión con toma central un factor que influye significativamente en las pérdidas en los devanados. A altas frecuencias, la profundidad pelicular (δ) viene determinada por:

δ = √(ρ/πμf)

Lugar:

ρ = resistividad del conductor (Ω·m)

μ = permeabilidad (H/m)

f = frecuencia de funcionamiento (Hz)

Para cobre a 100 kHz, la profundidad de penetración es de tan solo 0.21 mm, lo que significa que la corriente fluye principalmente cerca de la superficie del conductor. Como punto de convergencia de corriente, el proceso de terminación con toma central debe incorporar las siguientes optimizaciones:

● Conexión intercalada multicapa:En los devanados de alambre Litz, la toma central debe utilizar una conexión en abanico (Figura 2) para asegurar la misma longitud de todos los hilos y evitar una distribución desigual de la corriente. Las pruebas demuestran que esto puede reducir la resistencia de CA entre un 15 % y un 20 %.

● Diseño de trayectoria térmica 3D:La toma central, al ser una zona de concentración de calor, debe alinearse con las vías de refrigeración. Una transición térmica gradual —con un aumento progresivo del diámetro del alambre, de fino a grueso— evita puntos calientes causados ​​por cambios bruscos de sección transversal. Según la norma IEC 61558-2-16, las diferencias de temperatura en la zona de la toma central no deben superar los 5 K durante las pruebas térmicas.

● Equilibrio del campo electromagnético:Los devanados a ambos lados de la toma central deben enrollarse con estricta simetría especular (alternando sentido horario y antihorario) para cancelar los campos de dispersión. Según la ley de Faraday, esta simetría genera fuerzas electromotrices inducidas opuestas, reduciendo la inductancia de dispersión neta.

Fuga ∝ (N²/h)·(a + b/3)

Lugar:

N = vueltas

h = altura de bobinado

a = distancia entre espiras

b = espesor del bobinado.

El bobinado simétrico minimiza la distancia efectiva (a).

4. Requisitos especiales de aislamiento y resistencia a la tensión

La terminación con toma central presenta desafíos de aislamiento únicos, especialmente en aplicaciones de alto voltaje o a gran altitud. Según la norma UL/IEC 60601-1 (dispositivos médicos), las tomas centrales de los transformadores de alta frecuencia deben cumplir con los siguientes requisitos de aislamiento:

● Aislamiento compuesto multicapa:Los cables de derivación central que atraviesan las capas de bobinado requieren un sistema de tres capas:

(1) Interior:Cinta de poliimida de 0.05 mm

(2)Medio:Tela de fibra de vidrio impregnada con epoxi

(3)Exterior:Funda de teflón

Esta combinación cumple con los requisitos de rigidez dieléctrica (>3kV/mm) y flexibilidad.

● Control del gradiente potencial:La diferencia de tensión entre la toma central y los extremos del devanado sigue una distribución lineal. Un diseño de "transición cónica" (Figura 3) aumenta gradualmente el espesor del aislamiento con la diferencia de tensión, evitando la concentración del campo eléctrico. Según la ley de Paschen:

Vb = B·pd / ln(A·pd) - ln[ln(1+1/γ)]

Lugar:

A, B = constantes de los gases

γ = coeficiente de emisión de electrones secundarios.

Un diseño adecuado aumenta la tensión de inicio de descarga parcial en más de un 30%.

● Protección del medio ambiente:Para entornos hostiles, la terminación con toma central requiere:

(1)Limpieza por plasma (elimina contaminantes)

(2) Recubrimiento con agente de acoplamiento de silano (mejora la adhesión)

(3) Nanorecubrimiento hidrofóbico (ángulo de contacto >110°)

Según la norma ASTM D7866, esto extiende la resistencia a la niebla salina de 500 a 2000 horas.

5. Fiabilidad mecánica y procesos de alivio de tensiones

Los transformadores de alta frecuencia soportan fuerzas electromagnéticas, estrés térmico y vibraciones. La toma central, al ser un punto débil, requiere refuerzo.

● Alivio de la tensión:Los cables de derivación central deben incluir un bucle de alivio de tensión en forma de "S" (Figura 4) con radio de curvatura:

R ≥ 10d (d = diámetro del alambre)

Esto reduce la tensión de flexión en un 60-70%, superando las pruebas de vibración MIL-STD-810G (10-2000Hz, 5Grms).

● Acoplamiento termomecánico:Los materiales deben tener coeficientes de dilatación térmica (CTE) similares:

(1)Conductor:Cobre plateado (CTE 17 ppm/°C)

(2)Aislamiento:PTFE (CTE 100 ppm/°C)

(3)Transición:Caucho de silicona (CTE 300 ppm/°C)

Este diseño de coeficiente de expansión térmica gradual elimina más del 80% del estrés térmico.

● Protección contra micromovimientos:Para una fiabilidad a largo plazo:

(1) Almohadillas de soldadura empotradas (reducen la longitud del voladizo)

(2) Aleación de soldadura SAC305

(3)Puntos adhesivos reforzados (diámetro ≥2× diámetro del alambre)

Según JIS C5401, esto extiende la vida mecánica a 100,000 ciclos térmicos.

6. Requisitos especiales de prueba y validación

Los procesos de grifo central requieren pruebas específicas:

● Prueba de equilibrio dinámico:
Utilice un analizador de redes para medir:

(1)Desviación de inductancia (<2%)

(2)Diferencia del valor Q (<15%)

(3) Desplazamiento de frecuencia de autorresonancia (<5%) Las frecuencias de prueba deben cubrir el rango de operación (por ejemplo, 100 kHz–10 MHz).

● Prueba de descarga parcial:
Según IEC 60270, a 1.5 veces la tensión nominal:

(1)Descarga parcial (<5pC)

(2) Tasa de descarga (<1/ciclo) Pruebe con la toma central en las peores condiciones (por ejemplo, doblada).

● Prueba de envejecimiento acelerado:
Pruebas de estrés ambiental combinadas:

Tabla 2: Requisitos de prueba de fiabilidad integral

En resumen

La terminación con toma central en transformadores de alta frecuencia es un factor clave que afecta al rendimiento general, y requiere una consideración equilibrada del diseño electromagnético, la gestión térmica, la fiabilidad mecánica y la facilidad de fabricación. Con el auge de los semiconductores de banda prohibida ancha (p. ej., GaN, SiC), las frecuencias de funcionamiento más elevadas exigen procesos de terminación con toma central aún más estrictos.

Los fabricantes deben mantenerse al tanto de las actualizaciones de las normas internacionales (p. ej., IEC 62368-1:2023) y optimizar los procesos mediante simulación (p. ej., análisis de elementos finitos) y ensayos. Para aplicaciones especializadas (p. ej., implantes aeroespaciales o médicos), podrían ser necesarias soluciones a medida.

Para obtener más información sobre la optimización de transformadores de alta frecuencia o directrices específicas para su aplicación, póngase en contacto con nuestro equipo técnico. Ofrecemos soluciones que cumplen con las normativas UL, CE y RoHS para satisfacer sus requisitos más exigentes.

Contáctenos

lushan, est.1975Es un fabricante profesional chino especializado en transformadores y reactores de potencia con más de 50 años de experiencia. Nuestros productos líderes son...transformador monofásico, transformadores de aislamiento trifásicos, transformador eléctrico, transformador de distribución, transformador reductor y elevador, transformador de baja tensión, transformador de alta tensión, transformador de control, transformador toroidal, transformador de núcleo R; inductores de CC, reactores de CA, reactor de filtrado, reactor de línea y carga, estranguladores, reactor de filtrado y productos intermedios de alta frecuencia.

Nuestros transformadores y reactores de potencia se utilizan ampliamente en 10 áreas de aplicación: tránsito rápido, maquinaria de construcción, energía renovable, fabricación inteligente, equipos médicos, prevención de explosiones en minas de carbón, sistema de excitación, sinterización al vacío (horno), aire acondicionado central.

Conozca más sobre transformadores de potencia y reactores:www.lstransformer.com.

Si desea obtener soluciones personalizadas para transformadores o reactancias, póngase en contacto con nosotros.

WhatsApp: +86 17267488565
Correo electrónico: marketing@hnlsdz.com