transformadores_planares

Vigilancia Tecnológica Transformadores Planares

Elaboró: PIDI Revisó: PIDI Aprobó: SID Fecha: 02/08/2011 Código: FR 20-03-V03 Página: 1 de 10

TRANSFORMADORES PLANARES

INFORME DE VIGILANCIA TECNOLÓGICA

Medellín, 26 abril de 2012

INFORMACIÓN CONFIDENCIAL – Este documento

pertenece exclusivamente a la Corporación Centro de

Investigación y Desarrollo Tecnológico - CIDET y sus

investigadores asociados y fue desarrollado para uso

discrecional por parte de las empresas involucradas

en el proyecto. No se puede utilizar para fines distintos

a los de la evaluación de la propuesta sin

consentimiento escrito del CIDET. No podrá ser usado

de cualquier manera en detrimento de los intereses

del CIDET.



Transformadores Planares

Resultados obtenidos al realizar búsquedas en la base de datos Scopus, sobre el tema “transformadores planares”, entre el 11y 16 de abril de 2012. PALABRAS CLAVE El término “planar transformer” se ha estado usando desde 1988, por lo que se puede evidenciar que es una tecnología relativamente avanzada en términos de la incorporación del concepto en el tiempo. En el análisis de las palabras claves se puede se destacar términos predominantes tales como “HVDC Power Transmission” y “High Power”. Estos, empezaron a usarse desde 2008 en los artículos revisados, otro término emergente en el mismo año es “Power Converter Design”. Desde 2006 se usa la palabra Power Transformers y Finite Element Analysis. Para el análisis temporal de la recurrencia de palabras claves, se acude a delimitar las palabras claves mostradas, a las que aparecen hasta 6 veces en las palabras claves en los artículos revisados.



Figura 1. Dinámica de tiempo palabras clave.

PALABRAS CLAVE MÁS USADAS Inicialmente, se muestra el nivel de uso de las principales palabras clave referenciadas en los artículos. A partir de éstas es posible plantear nuevas búsquedas utilizándolas como base en las investigaciones. Figura 2.



Figura 2. Nivel de uso de principales palabras clave.

A continuación se presenta una lista de las primeras 5 palabras clave. Su línea de tendencia en uso durante el tiempo.

Figura 3. Palabra clave: Transformador Planar.

La palabra clave “Planar Transformer” ha sido usada en 66 oportunidades dentro de las búsquedas indicadas. Este término ha tenido un crecimiento alto durante los últimos años. Se aprecia un crecimiento constante desde 2006 hasta el 2010, en el 2011 se dio un decremento de la tendencia. (Figura 3)

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Planar transformer



Figura 4. Palabra clave: Transformador Eléctrico.

“Electric transformers” ha sido utilizada en 30 oportunidades. (Figura 4)

Figura 5. Palabra clave: Distribución eléctrica de potencia.

Esta palabra clave “Electric Power Distribution” ha sido utilizada en 29 artículos indexados. (Figura 5)

Figura 6. Palabra clave: Devanado.

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Electric transformers

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Electric power distribution

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Winding



La palabra clave “Winding” ha sido utilizada en 28 ocasiones dentro de los artículos encontrados. (Figura 6)

Figura 7. Palabra clave: Transformador devanado.

Esta palabra clave, Transformer Windings, se utiliza en 23 artículos, del total de artículos analizados. (Figura 7)

APLICACIONES TRANSFORMADORES PLANARES

Analizando la industria de los transformadores, se han encontrado aplicaciones en diversas áreas. Empresas como StandexElectronics, PatonGroup International, Ferroxcube o Texas Instruments han estudiado el tema, y tienen productos comerciales. Se realizaron búsquedas en estas y otras empresas para así dar indicaciones de lo que se está trabajando a nivel mundial. Las principales aplicaciones que ofrecen los fabricantes de transformadores planares están indicadas a continuación. Estas están divididas en aplicaciones en las telecomunicaciones, la industria y el ámbito militar.

Telecomunicaciones o Computadores o Impresoras o Módems o Electrodomésticos o Fuentes conmutadas AC-DC; DC-DC o Wireless

Industrial o Soldadura o Automóviles híbridos y eléctricos o Mercado de energía solar o Precipitador electrostático o Sistemas médicos

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Transformer windings



o Driver para tiristores o Calentamiento/hornos de inducción o Iluminación o Sistemas de control o Cargadores de alta frecuencia o Inversores o Cargadores inductivos

Militar o Aviones o Espacial o Vehículos o Óptica o Misiles o Comunicaciones

Algunas aplicaciones específicas extraídas de artículos indexados, se presentan a

continuación:

Diseño de transformador planar en cascada para uso en un precipitador electrostático.(Wang et al., 2009) Diseño de Driver para tiristores usando un nuevo extra delgado transformador planar sin circuito magnético.(Kourda, 2009) Transformador planar LTCC (Low-temperature-cofired-ceramic) para convertidores flyback de alto voltaje.(Roesler et al., 2010) Móduloconvertidor transformador de alta frecuencia aislado bidireccional DC-DC con una alta eficiencia en todo el rango de carga de ancho de 20 KVA de transformador de estado sólido.(Fan and Li, 2011) Módulo híbrido bidireccional magnético integrado planar convertidor DC-DC para aplicación en pilas de combustible.(Ouyang et al., 2011)

PATENTES

Palabras Clave # patentes en

BD

Fuente de

Búsqueda

Planar transformer 3 Latipat-espacenet EPO1

Transformador planar 8 Latipat-espacenet EPO

1European Patent Office



Planar Transformer 33856 Wipo-patentscope WIPO2

“Planar Transformer” 280 Wipo-patentscope WIPO

“Planar Transformer”& PCB3 72 Wipo-patentscope WIPO

Se accedió a las patentes mas relevantes convenientemente con las búsquedas realizadas, y teniendo en cuenta la pertinencia con el tema.

ESTADO DEL ARTE Con el objetivo de ilustrar algunas ideas en este tema, se procede a bucar palabras tales como construcción, optimización y nuevas técnicas en las base de datos de artículos científicos que se consideraron para este estudio en transformadores planares. Luego de filtrar estas búsquedas, se procede a seleccionar y explorar los artículos referidos en los últimos años, así como algunos artículos que podrían considerarse seminales para la elaboración de un transformador planar. Alta proporción de devanados para transformador plano con geometría optimizada para

amperímetro SQUID4.

Diseño de transformador gradio-métrico multi-vueltas. Aplicación a superconducting quantum interference device. (Luomahaara et al., 2012) Diseño óptimo y análisis en equilibrio de transformadores planares DC-DC de alta potencia. El artículo que refiere a este tema describe aspectos importantes en el diseño de transformadores planares, pérdidas del devanado, pérdidas del núcleo, inductancias de fuga, capacitancias de pérdida. (Ouyang et al., 2012) Transformadores planares galvanizados. Se propone una nueva técnica de construcción basada en una capa delgada de material ferromagnético electrochapado, como hierro-niquel, seguido por electrolito de cobre y estaño sucesivamente. Esta metodología permite integrar estructuras magnéticas dentro de la construcción de PCB5. (Koizumi et al., 2011).

Transformador planar integrado de alta eficiencia para primario paralelo aislado en convertidores boost. Se logra a partir de la reducción del volumen total de ferrita, y pérdidas del núcleo para el mismo pico de flujo de densidad. El número de vueltas es minimizado para facilitar construcción. (Sen et al., 2010).

2World Intellectual Property Organization 3Printed Circuit Board 4Superconducting quantum interference device 5Printed Circuit Board



Estructuras y características de transformadores planares. Cálculo de factores de acople, eficiencias en cuatro diferentes construcciones. Se concluye con la topología más adecuada.(Oshiro et al., 1988). Optimización del desempeño de transformadores planares. Se presenta un estudio de diferentes trazados para construir transformadores planares. Se presenta un estudio de la influencia de los efectos parásitos. Pautas de diseño y resultados experimentales se muestran en el documento.(Prieto et al., 1996) Simulación de transformadores planares monolíticos en sustrato de GaAs. Resultados de la simulación de Transformador-GaAs. El algoritmo para cambio automático en los parámetros de construcción se presenta. (Shelkovnikov et al., 2004)

PRECIOS COMERCIALES

Se hizo un análisis del mercado de los transformadores planares. Los vendedores enfatizan en su aplicación a convertidores DC/DC. Para transformadores con potencias menores a 1KW los precios fluctúan entre $USD 0.1 ~ 5. Algunos fabricantes chinos ostentan precios de hasta $USD 0.9 para potencias de 3.5KW. Para potencias superiores a 3KW, se tienen valores hasta $USD 50. La empresa Pulse Electronics, vende sus productos en www.digikey.com/ a un precio de 5.936 $USD. Solo venden a partir de 160 unidades para la referencia mostrada.

Fabricante Referencia Potencia (W) Precio $USD

Shenzhen Hongtaida Industry Co., Ltd. ERI18 75 1,7 ~ 3,5

Pulse Electronics PA0491 100 5,936

Shenzhen Hongtaida Industry Co., Ltd. EE18 150 0,1 ~ 3,1

Shenzhen Emeis Electronic Co., Ltd. OEM 150 0 ~ 50

Hefei Luyue Electronic Co., Ltd. LY-23 3000 3,55 ~ 55,55

Shenzhen Emeis Electronic Co., Ltd. custom 3000 0 ~ 50

Hefei Yatai Ele. Co., Ltd. Yatai 15W-3,5K 0,1 ~ 0,9

Otras empresas consultadas: Payton Group, Delta Electronics Inc., Himag solutions, Techdak, Standex Electronics, The Premo Group y Coilcraft. Estas, no proveen de información sobre precios.



REFERENCIAS

Fan, H., Li, H., 2011. High-frequency transformer isolated bidirectional DC-DC converter modules

with high efficiency over wide load range for 20 kVA solid-state transformer. IEEE Transactions on

Power Electronics 26, 3599–3608.

Koizumi, M.T., Teixeira, R.R., Chiocca, J.B., Rede, I., Castaldo, F.C., 2011. Electroplated planar

transformers, in: COBEP 2011 - 11th Brazilian Power Electronics Conference. pp. 689–694.

Kourda, F., 2009. Design of a driver for thyristors using a new extra flat planar transformer without

magnetic circuit. EPE Journal (European Power Electronics and Drives Journal) 19, 11–19.

Luomahaara, J., Kiviranta, M., Hassel, J., 2012. A large winding-ratio planar transformer with an

optimized geometry for SQUID ammeter. Superconductor Science and Technology 25.

Oshiro, O., Tsujimoto, H., Shirae, K., 1988. Structures and characteristics of planar transformers.

IEEE translation journal on magnetics in Japan 3, 543–544.

Ouyang, Z., Thomsen, O.C., Andersen, M.A.E., 2012. Optimal design and tradeoff analysis of

planar transformer in high-power dc-dc converters. IEEE Transactions on Industrial Electronics 59,

2800–2810.

Ouyang, Z., Zhang, Z., Thomsen, O.C., Andersen, M.A.E., 2011. Planar-integrated magnetics

(PIM) module in hybrid bidirectional DC-DC converter for fuel cell application. IEEE Transactions

on Power Electronics 26, 3254–3264.

Prieto, R., Garcia, O., Asensi, R., Cobos, J.A., Uceda, J., 1996. Optimizing the performance of

planar transformers, in: Conference Proceedings - IEEE Applied Power Electronics Conference and

Exposition - APEC. pp. 415–421.

Roesler, A.W., Schare, J.M., Glass, S.J., Ewsuk, K.G., Slama, G., Abel, D., Schofield, D., 2010.

Planar LTCC transformers for high-voltage flyback converters. IEEE Transactions on Components

and Packaging Technologies 33, 359–372.

Sen, G., Ouyang, Z., Thomsen, O.C., Andersen, M.A.E., Møller, L., 2010. A high efficient

integrated planar transformer for primary-parallel isolated boost converters, in: 2010 IEEE Energy

Conversion Congress and Exposition, ECCE 2010 - Proceedings. pp. 4605–4610.

Shelkovnikov, B.N., Bondar, D.B., Glubokov, A.A., 2004. Simulation of monolithic planar

transformers on a GaAs-substrate, in: 2004 4th International Crimean Conference: Microwave and

Telecommunication Technology - Conference Proceedings, CriMiCo’04. pp. 16–19.

Wang, Y.A., Hu, M., Xiao, D.M., Jiang, Y.M., 2009. Design of a cascade planar transformer for

electrostatic precipitator use. WSEAS Transactions on Circuits and Systems 8, 938–947.

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