#110🚀 Why is Leakage Inductance so important now?

My journey building a Scientific Company about Magnetics

👋 Hola Amigos! Dr. Molina here 👨‍🔧

Para aquellos que lo prefiráis, hay una versión en español abajo

Why is Leakage Inductance so important now?

When I have to explain why we created a startup focused on magnetics, I need to go back and explain the evolution of power semiconductors. Switched-mode power supplies have existed for over 50 years. They contain semiconductors, transformers, inductors, control integrated circuits, current sensors, capacitors, and PCBs, among other things.

Transformers have always been a headache. However, in the last 15 years, they have become the main topic. This is because semiconductors have evolved significantly and rapidly. Both silicon-based and GaN or SiC-based semiconductors allow (or force) designers to increase frequency to achieve smaller volume designs. These new semiconductors can operate much faster without increasing losses and are also smaller.

Until now, there were certain "recipes" for designing transformers that worked relatively well at 50 or 100 kHz switching frequency.

However, what good is having faster and smaller devices if we don't change the way we design transformers and inductors, which remain large and heavy?

This is where my obsession with creating technology to increase frequency and improve the design of magnetics, Frenetic, was born.

But it doesn't stop there. Smaller and more compact designs started to emerge, and researchers asked, what else can we do? We began integrating several magnetics into one, taking advantage of their parasitic effects. For example, a laboratory transformer has an "undesired" inductance in series, which we call Leakage Inductance. What if we integrate this LLk inductance into the circuit's operation?

This sounds great, but it comes with three complexities:

The first is that as a parasite, it depends on many assembly variables, which can significantly complicate its repeatability.

The second is the way to calculate it. Until this week, when we released the world's most accurate analytical model with 95% precision, we had to build many samples to verify that the model works. You can download it here.

The third is the potential losses you might add. This parasite occurs due to poor coupling between primary and secondary. If, in trying to increase it, we do not control the impact on proximity losses, these will grow logarithmically. You can check my article on proximity or Jonas's on the thermal model here.

Once these complexities are overcome, the advantages begin. You can reduce the number of components, thus reducing cost and size.

When we have the knowledge and the necessary tools, we can integrate many functionalities into a single component, especially in cases like DAB, LLC, CLLC, or PSFB. If you want to know how to improve your magnetics, just write to us at Frenetic, and we will be happy to help.

Thank you for reading. Please share this with your friends and colleagues, as it will greatly help me!

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¿Porqué la Leakage Inductance es tan importante ahora?

Cuando tengo que explicar porqué creamos una startup sobre magnéticos, tengo que remontarme a explicar la evolución de los semiconductores de potencia. Las fuentes de alimentación conmutadas existen desde hace más de 50 años. En ellas podemos encontrar semiconductores, transformadores, inductores, circuitos integrados de control, sensores de corriente, condensadores y PCBs, entre otros.

Los transformadores siempre han sido un dolor de cabeza, sin embargo, en los últimos 15 años, se han convertido en el principal topic. Y es que, los semiconductores han evolucionado mucho y muy rápido. Tanto los basados en silicio, como los basados en GaN o SiC, permiten (o fuerzan) a los diseñadores a aumentar la frecuencia para conseguir diseños más pequeños en volumen. La razón es que estos nuevos semiconductores pueden ir mucho más rápido, sin aumentar las pérdidas y además son más pequeños.

Hasta ahora, había unas “recetas” para diseñar los transformadores, que a 50 o 100 kHz de frecuencia de conmutación funcionaban relativamente bien.

Sin embargo, ¿de qué sirve tener unos dispositivos más rápidos y pequeños, si no cambiamos la forma de diseñar los transformadores e inductores, que siguen siendo grandes y pesados?

Y aquí nace mi obsesión por crear una tecnología para poder subir frecuencia y mejorar los diseños de los magnéticos, Frenetic.

Pero la cosa no queda aquí. Se empezaron a crear diseños más pequeños y compactos y los investigadores nos preguntamos, qué más podemos hacer? Y empezamos a integrar varios magnéticos en uno sólo, aprovechando los efectos parásitos de los mismos? Es decir, un transformador de laboratorio, además de ser un transformador, tiene una inductancia “no deseada” en serie, que llamamos Leakage Inductance. Y si integramos esta inductancia LLk en la operación del circuito?

Esto suena genial, pero tiene tres complejidades:

La primera es que al ser un parásito, depende de muchas variables del montaje, que pueden complicar mucho su repetibilidad.

La segunda es la forma de calcularla. Hasta esta semana, que hemos sacado el modelo analítico más preciso del mundo, con una precisión de 95%, hemos tenido que montar muchas muestras para verificar que el modelo funciona. Puedes descargarlo aquí.

La tercera es las pérdidas que puedes añadir. Este parásito ocurre por el mal acoplamiento entre primario y secundario. Si al intentar hacerlo mayor, no controlamos el impacto en las pérdidas por proximidad, estas crecen logarítmicamente. Puedes revisar mi artículo sobre proximidad o el de Jonas sobre modelo térmico aquí.

Una vez salvadas estas complejidades, empiezan las ventajas, puedes reducir el número de componentes reduciendo coste y tamaño.

Cuando disponemos del conocimiento y las herramientas necesarias, puedes llegar a integrar muchas funcionalidades en un sólo componente, especialmente en los casos de DAB, LLC, CLLC o PSFB. Si quieres saber cómo mejorar tus magnéticos, sólo tienes que escribirnos a Frenetic y estaremos encantados de ayudarte.

Gracias por leer y recuerda que puedes ayudarme a seguir escribiendo si lo compartes con tus amigos!