ある日の午後、イタリアの産業用電源メーカーから、破損した変圧器 6 個が入った荷物を受け取りました。彼らのメールは短くて簡単でした。
「実験室ではすべてが完璧に動作しますが、現場で 3 ～ 4 か月が経過すると、顧客から障害が報告され始めます。原因を見つけるのを手伝ってくれませんか?」
無錫恵埔電子有限公司で返品されたユニットを解体したところ、どの変圧器にも大きな損傷は見られませんでした。巻線の焼け、フェライトコアの亀裂、過負荷の明らかな兆候はありませんでした。しかし、明らかに何かが間違っていました。失敗したサンプルと新しく製造されたユニットを比較すると、答えが徐々に明らかになりました。高温に長時間さらされると、いくつかの巻線層間の絶縁が劣化し始めていました。この小さな変化により漏れ電流が増加し、さらなる熱が発生し、最終的にはスイッチング MOSFET が損傷しました。半導体の故障のように見えた現象は、実際には数カ月前に変圧器内部で始まりました。
このような経験は珍しいことではありません。電源設計における最大の誤解の 1 つは、トランスが動作するか動作しないかのどちらかであるということです。実際には、スイッチング電源変圧器は、ほとんどの場合、完全な故障が発生するずっと前に警告の兆候を示します。課題は、これらの兆候を早期に認識して、高価な現場修理を防ぐことです。
私たちが遭遇するすべての問題の中で、最も一般的なのは過度の温度上昇です。プロトタイプのテスト中、エンジニアは多くの場合、電源を 30 分間操作し、許容温度を記録し、直接生産に移行します。残念ながら、産業用機器が 30 分間しか稼働しないことはほとんどありません。多くのシステムは数千時間にわたって継続的に稼働します。銅損または鉄損のわずかな増加は、内部温度が絶縁材料の設計限界を超えるまで徐々に蓄積されます。お客様が出力の不安定や予期しないシャットダウンに気付いた時には、すでに被害が発生しています。このため、短期間の実験室テストのみに依存するのではなく、現実的な長期間の動作条件下で変圧器を評価することを常に推奨しています。-
もう 1 つの頻繁な障害原因は、コアの飽和です。過熱とは異なり、飽和はあまり前触れもなく突然現れることがあります。電源は軽負荷では正常に機能しますが、動作条件が変化すると過剰な電流が流れ始めます。お客様がトランス自体を再設計せずにスイッチング周波数を変更したり、入力電圧範囲を拡大した後にこの問題が発生するのを私たちは確認しています。磁気コアが予想よりも早く限界に達しただけです。飽和の防止は複雑ではありませんが、保守的な磁気計算と、理想的な動作条件ではなく実際の動作条件に対処できる十分な設計マージンが必要です。
漏れインダクタンスは、他の障害の背後に隠れていることが多いもう 1 つの問題です。通常、エンジニアは、焼損したスイッチング デバイスを最初に発見します。これは、焼損したスイッチング デバイスの方が識別しやすいためです。ただし、トランス内に過剰な漏れインダクタンスが残っている場合、MOSFET を交換しても問題が解決することはほとんどありません。巻線の配置が不適切だと、スイッチング サイクルごとに電圧スパイクが発生します。これらのスパイクは、実験室でのテスト中は安全限界内にとどまる可能性がありますが、数か月の動作にわたって徐々に半導体にストレスを与えます。当社は、回路の残りの部分を変更せずに巻線構造を再設計するだけで、いくつかの OEM 顧客がスイッチング損失を大幅に削減できるよう支援してきました。
電磁干渉も同様のことを物語っています。多くの人は、EMI は、設計が完了した後に、より大きなフィルターや追加のシールドによって解決できるものであると考えています。私たちの経験ではそうではないことが示唆されています。ほとんどの場合、不要なノイズはトランス自体の内部から発生します。巻線の積層方法、一次回路と二次回路がどの程度密接に結合されているか、さらには絶縁テープの位置さえもすべて、伝導エミッションと放射エミッションに影響を与えます。最初から EMI を考慮せずに設計されたトランスは、多くの場合、エンジニアが後で周囲の回路を変更するためにはるかに多くの時間を費やすことを余儀なくされます。
変圧器には可動部品がないように見えるため、機械的信頼性も見落とされやすい要因です。実際には、高周波磁場により、フェライト コアと巻線の両方の内部で小さな振動が発生します。-数千時間の動作時間にわたって、これらの微小な動作により、絶縁体が徐々に摩耗したり、巻線構造が緩んだり、多くのユーザーが電力品質の低下が原因であると誤って信じているブーンという音が発生したりすることがあります。適切な巻線張力、確実なコアの組み立て、適切な含浸技術により、特に振動がすでに存在する産業環境において、長期安定性が大幅に向上します。-
絶縁不良は依然として最も深刻な懸念事項の 1 つであり、特に電気絶縁が安全性に直接影響を与える医療、通信、産業用制御機器においては顕著です。電圧定格のみに基づいて絶縁材料を選択するだけでは十分ではありません。沿面距離、クリアランス、熱老化、湿度、製造の一貫性はすべて、長期的な信頼性に貢献します。-電気の安全性は設置後にお客様が目視で検査できるものではないため、当社では定期的に Hi-Pot テストと絶縁検証を行っています。-
私たちが長年にわたって気づいた興味深いパターンの 1 つは、変圧器自体が誤って製造されることはほとんどないということです。多くの場合、彼らは単に自分たちが行うように設計されていなかったことを行うことを期待されています。電力定格のみに従って選択された変圧器は、その温度範囲外で動作する可能性があります。純粋に物理的寸法によって選択されたものは、過剰な EMI を生成する可能性があります。以前のプロジェクトからコピーされたさらに別のプロジェクトは、より高いスイッチング周波数に適合しなくなる可能性があります。これらの変圧器には欠陥はありません。-単にアプリケーションに適合していないだけです。
そのため、お客様とのエンジニアリングに関するディスカッションは、「変圧器は何ワット必要ですか?」という質問から始まることはほとんどありません。その代わりに、その機器が実際にどのように使用されるのかを尋ねます。連続的に動作しますか、それとも断続的に動作しますか?密閉されたキャビネット内に設置されていますか? それとも空気の流れにさらされていますか?周囲温度はどれくらいになりますか?どのスイッチング トポロジが使用されていますか?完全なアプリケーションを理解した後でのみ、変圧器設計の最適化を開始します。
スイッチング電源に長年取り組んできた結果、私たちはシンプルな結論に達しました。変圧器の故障のほとんどは製造上の故障ではありません。それらは、製品が工場から出荷された後でのみ明らかになる設計上の欠陥です。これらを防止するには、通常、より高価な材料や大型の変圧器は必要ありません。それには、アプリケーションを理解し、適切なエンジニアリングマージンを持って設計し、トランスを部品表上の単なるコンポーネントではなく電源の心臓部として扱う必要があります。
私たちがこれまで見てきた中で最も信頼性の高いスイッチング電源には、トランスが後付けで考慮されていないという共通点があります。それは最初からシステム全体の一部として設計されました。