Hochfrequenz-Litzen für Schaltnetzteil-Transformatoren: Effizienz in der Industrieelektronik
In einem gemeinsamen Entwicklungsprojekt unterstützte PACK LitzWire einen Industriekunden dabei, die Transformatoren seiner Schaltnetzteile zu überarbeiten. Ziel war es, die Bauraumbeschränkungen zu reduzieren und gleichzeitig die Effizienz bei hohen Schaltfrequenzen zu steigern. Die Geräte arbeiteten typischerweise mit Frequenzen oberhalb von 100 kHz und mussten strenge Normen wie EN 62368, EN 61558 oder EN 60601 erfüllen.
Die Herausforderung
Die kompakten Transformatoren mussten hohe Leistungsdichten in engen Gehäusen bewältigen. Klassische Runddrahtwicklungen gerieten dabei an Grenzen:
- Elektromagnetisch: Skin- und Proximity-Effekte führten zu hohen AC-Verlusten und damit zu übermäßiger Erwärmung.
- Thermisch: Die begrenzte Wärmeabgabefläche in dichten Gehäusen verschärfte die Temperaturproblematik.
- Normativ: Eine optimierte Wicklung musste trotz kompakter Bauweise alle Anforderungen an Isolation, Spannungsfestigkeit und Kriechstrecken erfüllen.
Der Kunde benötigte daher eine Wicklungskonstruktion, die hohe Frequenzen effizient verarbeitet, ohne dass der Transformator vergrößert werden musste oder thermische Grenzwerte überschritten wurden.
Die ursprüngliche Transformatorwicklung mit konventioneller Leitergeometrie zeigt die konstruktiven Grenzen bei hohen Schaltfrequenzen: erhöhte AC-Verluste, stärkere Erwärmung und eingeschränkte Effizienz in kompakter Bauform.
Die optimierte Wicklung mit HF-Litze reduziert Skin- und Proximity-Effekte deutlich und ermöglicht einen kompakteren, thermisch stabileren Transformator bei gleichzeitig höherem Wirkungsgrad und normkonformer Isolation.
Lösungsstrategie
PACK LitzWire entwickelte gemeinsam mit dem Kunden eine HF-optimierte Wicklungsauslegung.
- HF-Litzenempfehlung: Es wurden feinadrige RUPALIT®-Hochfrequenzlitzen eingesetzt, deren viele einzeln lackierte Einzeldrähte die AC-Verluste deutlich reduzierten.
- Thermische Entlastung: Durch die feine Struktur und den verteilten Querschnitt entstand weniger Verlustwärme, sodass ein kompakteres Trafodesign möglich wurde.
- Erhöhte Isolation: Für die hohe elektrische Beanspruchung wurden die Litzen mit zusätzlicher Folienisolation ausgestattet, um die Normenanforderungen sicher zu erfüllen.
- Simulation & Dimensionierung: Mithilfe des Berechnungstools LiWiCalc® wurden Stranganzahl, Einzeldrahtdurchmesser und Verseilschemata exakt auf die Betriebsfrequenz und die thermischen Randbedingungen des Kunden abgestimmt.
Ergebnis
Die neu ausgelegte HF-Litze ermöglichte einen Transformator, der kompakter, thermisch robuster und deutlich verlustärmer war. Die Messergebnisse bestätigten eine spürbare Reduktion der AC-Verluste sowie vollständige Normenkonformität – und der Kunde konnte sein Schaltnetzteil bei unverändertem Formfaktor effizienter und zuverlässiger auslegen.
Offenes Industrie-Schaltnetzteil mit Transformator und Leistungselektronik, beispielhaft für kompakte und effiziente Stromversorgungslösungen in der Industrieelektronik.
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