Измерение импеданса трансформаторов

Трансформаторы и дроссели имеют разную форму и размеры. На рисунке 1 показаны два магнитных компонента — трансформатор размерами 3×3 см для приложений на 60…80 Вт и дроссель на 1500 А для приложений мощностью в мегаватты. В обоих случаях разработчик должен измерить импеданс этих компонентов.

Рис. 1. В силовой электронике используется широкий ряд магнитных компонентов. Рекомендуется измерять их значения во всем диапазоне частот, чтобы получить ценную информацию для успешной разработки

На рисунке 2 показана эквивалентная схема силового двухобмоточного трансформатора. Следует заметить, что все элементы схемы, помеченные красным символом Z, являются нелинейными. Значения проволочных сопротивлений Rp и Rs меняются в широком диапазоне в зависимости от частоты — иногда на два порядка в случае использования многослойных обмоток. Потери в сердечнике определяются сопротивлением Rc (см. рис. 2), которое в большой мере зависит от частоты, уровня возбуждения, температуры и — в случае использования некоторых материалов и приложений — от возраста сердечника.
Индуктивность рассеяния Ll в значительной мере зависит от частоты из-за эффектов близости. Индуктивность намагничивания Lm изменяется в зависимости от уровня возбуждения сердечника, и ее значение может заметно снизиться при его насыщении. В случае применения трансформаторов без зазора и с высокой магнитной проницаемостью Lm на низких частотах также зависит от уровня возбуждения.
Межвитковые емкости Cp, Cs и емкость между первичной и вторичной обмотками Cps зависят от площади поверхности обмоток и изолирующего зазора. Их величины изменяются в зависимости от частоты, но, как правило, считаются константами.

В случае с двухобмоточным трансформатором измеряются три импеданса: импеданс первичной обмотки при разомкнутой вторичной цепи; импеданс первичной обмотки при закороченной вторичной цепи и импеданс между первичной и вторичной обмотками, когда они закорочены. (При наличии повышающего трансформатора выполняются измерения импеданса вторичной обмотки). Все три случая схематично изображены на рисунке 2, а результаты измерения представлены на рисунке 3.
Из результатов измерений можно извлечь информацию о компонентах эквивалентной схемы (см. рис. 2). Она очень важна для сравнения различных трансформаторных схем одного и того же приложения либо для оценки компонентов, предлагаемых различными поставщиками.

Рис. 2. Приблизительная эквивалентная схема двухобмоточного силового трансформатора. Для этого компонента необходимо измерить три импеданса

Рис. 3. Типовые результаты измерения импеданса трансформатора

Рис. 4. Справочные значения емкости обмотки

На рисунке 4 показаны справочные значения для ВЧ-импедансов трансформатора. Следует заметить, что эти значения измеряются только на частотах, где импедансы имеют емкостной характер. Попытка получить значения емкости на низких частотах, где эти компоненты имеют индуктивный характер, приведет к неправильным результатам.
Точность измерений должна быть порядка 1 пФ — это нормальное значение для небольших коммутирующих трансформаторов и дросселей. Даже небольшие емкости могут оказать значительное влияние на переключающие сигналы современных ВЧ-устройств. Следует контролировать емкость между первичной и вторичной обмотками трансформатора, поскольку она существенно влияет на синфазный шум преобразователя. Как правило, это значение емкости выше емкости первичной обмотки и является функцией изоляционного расстояния между обмотками.

Из рисунка 4, на котором показана кривая импеданса разомкнутой цепи, видно, что резонансная частота трансформатора очень низка — менее 2 МГц для 100-кГц приложения. Резонансное значение совсем не влияет на функционирование системы, — разве что во время включения появляется емкостной ток. Несмотря на то, что абсолютное значение этой резонансной частоты неважно по сравнению с частотой переключения, необходимо, чтобы первая из них оставалась постоянной в разных случаях, чтобы обеспечивалась технологическая совместимость. Необходимо также, чтобы падение резонансного значения импеданса, определяемого индуктивностью рассеяния и выходной емкостью, происходило на большой частоте. В рассматриваемом случае провал на резонансной частоте не наблюдается, т.к. он происходит на частоте выше 30 МГц.

Рис. 5. Справочные значения индуктивности обмотки. Следует заметить, что наклон асимптоты индуктивности рассеяния не достигает 20 дБ на декаду из-за меняющегося значения дросселя

На рисунке 5 представлены справочные значения индуктивности при измерении ВЧ-импеданса. Рекомендуется использовать значения намагничивания и индуктивности рассеяния при частотах, на которых компоненты имеют ярко выраженный индуктивный характер. При измерении короткозамкнутой цепи это явление, как правило, наблюдается на частоте переключения или выше.

Рис. 6. Зависимость индуктивности рассеяния от частоты

Кривая зависимости индуктивности рассеяния трансформатора от частоты показана на рисунке 6. Индуктивность большинства трансформаторов носит частотно-зависимый характер в диапазоне частоты переключения, что видно из этого измерения. Необходимо, чтобы индуктивность рассеяния трансформатора была указана при определенной частоте, если требуется компенсировать отклонения от этого значения. Очень часто в документации производителя индуктивность рассеяния определена слишком неточно.

Импедансы всех силовых дросселей и трансформаторов должны быть точно указаны во всем диапазоне частот, по крайней мере, вплоть до 10 МГц для типовых частот переключения. Эти данные оказывают огромную помощь в решении проблем, связанных с формой переключающего сигнала, электромагнитными помехами, расчетом снабберной цепи и характеристиками магнитных элементов. Кроме того, эта информация позволяет выявить ошибки, связанные с неточно указанными параметрами в документации производителей и с качеством изготовления. На какую бы мощность ни были рассчитаны магнитные элементы, важность этих измерений трудно переоценить, поскольку они позволяют сэкономить время и стоимость разработки.