Je höher die Schaltfrequenz des Transformators, desto kleiner sein Volumen. Bedeutet das also, dass es keine Obergrenze für die Schaltfrequenz gibt? Kann das Volumen somit sehr klein sein?
Die Antwort ist negativ. Im tatsächlichen Betriebsprozess wird die Frequenz von Hochfrequenztransformatoren durch mehrere Faktoren bestimmt und lässt sich in verschiedene Aspekte unterteilen:
1. Schaltungstopologie: Sperrwandler-Topologie: Transformatoren dienen der Energiespeicherung und -umwandlung und arbeiten üblicherweise mit einer Frequenz von 40–100 kHz. Bei Frequenzen unter 40 kHz ist der Eisenkern zu groß, was ein größeres Netzteilvolumen zur Folge hat. Bei Frequenzen über 100 kHz können Spannungsspitzen aufgrund von Streuinduktivitäten den Schalttransistor beschädigen.
Vorwärts-Topologie: Der übliche Frequenzbereich liegt zwischen 60 und 150 kHz, erfordert jedoch einen Ausgleich der Verluste im Magnetkern und der Schalter. Gegentakt-/Halbbrücken-/Vollbrücken-Topologie: Symmetrischer, bidirektionaler, magnetisierter Magnetkern mit Schalteransteuerung, höherer Wirkungsgrad, unterstützt höhere Frequenzen von mehreren hundert kHz bis zu MHz, erfordert jedoch eine komplexere Steuerung und Wärmeableitung.
2. Zu den Eigenschaften von Magnetkernmaterialien gehören magnetische Hystereseverluste und Wirbelstromverluste. Innerhalb eines bestimmten Bereichs steigen die Magnetkernverluste mit zunehmender Frequenz. Daher sollten verschiedene Magnetkernmaterialien unterschiedliche Frequenzbereiche aufweisen, um möglichst geringe Magnetkernverluste zu gewährleisten. Beispielsweise eignet sich Mangan-Zink-Ferrit für Frequenzen von 10 bis 300 kHz, während Nickel-Zink-Ferrit für Frequenzen über 1 MHz geeignet ist.
Zweitens muss mit steigender Frequenz die maximale magnetische Flussdichte reduziert werden, um eine Sättigung des Magnetkerns zu vermeiden. Beispielsweise beträgt die magnetische Flussdichte des DMR40 0,38 T, und bei einer Auslegungsfrequenz von 100 kHz wird üblicherweise ein Wert um 0,2 T gewählt.
3. Die Schaltgeschwindigkeit von Leistungshalbleitern: MOS-Transistoren gehören zu den unipolaren Bauelementen mit Ein- und Ausschaltzeiten im Nanosekundenbereich. Die theoretische Betriebsfrequenz kann MHz erreichen, die tatsächliche maximale Betriebsfrequenz liegt bei mehreren hundert kHz. IGBTs hingegen sind bipolare Bauelemente mit einer relativ langen Ausschaltzeit und einer maximalen Betriebsfrequenz, die üblicherweise zwischen 40 und 50 kHz liegt.
4. Die Steigerung der Effizienz und der Wärmeabfuhrfrequenz führt zu erhöhten Schalt- und Ansteuerverlusten, was die Gesamteffizienz verringert und die Wärmeentwicklung erhöht. Um die Produkttemperatur im normalen Bereich zu halten, sind weitere Maßnahmen zur Wärmeabfuhr erforderlich.
5. Bei hohen Frequenzen steigen die Kosten aufgrund erhöhter Schaltverluste, die einen höheren Aufwand für die Wärmeabfuhr erfordern. Zudem verschlechtert sich die Leistung von Kondensatoren und Induktivitäten bei hohen Frequenzen häufig, weshalb frequenzgeeignete Bauteile ausgewählt werden müssen, was die Kosten erhöht. In der Praxis sind die Kosten begrenzt, was oft die obere Grenze der Betriebsfrequenz bestimmt.
6. Chip-Eigenschaften: PWM-Steuerchips weisen häufig obere Frequenzgrenzen auf, um auf dynamische Laständerungen reagieren zu können. Dies legt auch fest, dass die Schaltfrequenz des Transformators in einem bestimmten Bereich liegen muss.
Veröffentlichungsdatum: 06.08.2025
