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基極和柵極的驅(qū)動變壓器

出處:維庫電子市場網(wǎng) 發(fā)布于:2024-04-02 16:18:23 | 901 次閱讀

  使用基極或柵極驅(qū)動變壓器的B的是為了在控制電路5電位浮動的開關(guān)管之 間進(jìn)行隔離。它們的設(shè)計非常簡單,但對整個開關(guān)電源的可靠性來說是至關(guān)重要 的。
  在設(shè)計基極或柵極驅(qū)動變佧器吋,侖幾個重要的閃尜要考慮:
  1. 變佧器的絕緣電低于兩倍的輸入電樂。雖然變佧器無需進(jìn)行高佧 (HIP0T)試驗,但若變壓器存在絕緣問題,一旦開關(guān)管損壞時,就會造成控制 電路的損壞。
  2.變壓器匝數(shù)比一般為1:1,如果采用別的匝數(shù)比,耍注意輸出電壓不能 超過開關(guān)管的舌崩士穿電壓。
  3.應(yīng)采用一次.:次耦合得比較好的繞線方法。如果耦合不好,隔離的開關(guān) 管丌關(guān)速度要比接地的開關(guān)管速度慢。
  基極或柵極驅(qū)動變壓器的設(shè)計5正激式變壓器的設(shè)計類似。對于單象限的驅(qū) 動(見圖3-23a),驅(qū)動電路與變佧器、變佧器輸出與開關(guān)管之間要加隔且電容。 這些隔直電容值至少要人于所選開關(guān)管柵極和源極間電容值的10倍。這是因為 隔直電容形成的電壓與開關(guān)管柵極與源極間的電容進(jìn)行分壓,將會減小驅(qū)動電 壓。對十雙象限輸出(見圖3-23b),輸入隔直電容可以番略。
  輸出耦合電容后面耍加一個直流鉗位電路,使驅(qū)動電壓的參考地與功率開關(guān) 管源極接在一起。耦合電容耍足夠大,這樣保證加到柵極的驅(qū)動脈沖不會發(fā)生電 壓跌落。
  另外,要記住正激式變壓器的阻抗會從一邊反射到另一邊。這就意味著如果 -次側(cè)的驅(qū)動是單端驅(qū)動(心源開通,無源關(guān)斷)的話,功率開關(guān)管的關(guān)斷會很 慢。如見采用圖騰柱驅(qū)動(即推挽式驅(qū)動)輸出變壓器次側(cè),可以加快功率開 關(guān)管的響應(yīng)。
  驅(qū)動變壓器可以用鐵氧體磁環(huán)或E型磁心,由于隔直電容保證變壓器丄作 在雙象限,所以不需要加氣隙。高磁導(dǎo)率的磁心也適合在這種情況下使W。導(dǎo)線 選W#32~#36AWG。磁心尺寸人概是0.4~0.6in (10~15mm)。

  丑_大概取在溫度為100°C時飽和磁通密度反al的一半。戌_在1800~2500G (0.18-0.25T)之間比較合適。用式(3-36a)和式(3-36b)來確定一次繞組匝 數(shù)。

  圖3-23變壓器耦合的基極和柵極驅(qū)動電路例 a)單個MOSFET驅(qū)動電路b)雙MOSFET驅(qū)動電路
  式中,炙單位為cm2,單位為G。 式中,炙單位為m2,單位為T。
  如果計算出來的匝數(shù)是小數(shù)的話,均取大于小數(shù)的最小整數(shù),然后用這個匝 數(shù)乘以需要的匝數(shù)比就是二次匝數(shù)。對于MOSFET,變壓器的匝數(shù)比一般為1:1, 而對于雙極型功率晶體管,匝數(shù)比可能要小些。
  當(dāng)輸入的直流電壓高于100V時,在一次和二次繞組之間、各二次繞組之間 要加聚酯薄膜。由于導(dǎo)線在繞制過程中,導(dǎo)線的絕緣層有可能刮破,所以不要過 分相信導(dǎo)線的絕緣擊穿電壓。
  3.5.9開關(guān)電源變壓器的繞線技術(shù)
  開關(guān)電源變壓器的物理繞制方法是很重要的,它會使電源性能差別很大。好 的繞制方法可以使電源性能變得非常好,反之也可以使電源噪聲很大,性能變 差。開關(guān)電源變壓器與50/60HZ的工頻變壓器相比,設(shè)計要求更為苛刻。
  變壓器的繞制,主要有三個方面的因素要考慮:
  2電源是否必須符合所有的安全規(guī)范。
  3繞組之間耦合要好。
  4所有繞組的漏感應(yīng)盡可能小。
  這些因素有些是相互影響的,所以需要采取折中辦法。 繞組符合安全規(guī)程
  如果開關(guān)電源的輸入電壓峰值高于40V,就要受到一個或多個國際安全規(guī)程 組織所制訂的規(guī)程約束。這些組織一般互相借鑒對方的安全規(guī)程,但設(shè)計者仍要 再查看自己產(chǎn)品所銷往的市場對這方面的要求。國際電工委員會(IEC)是這些 標(biāo)準(zhǔn)的主要制訂者,其標(biāo)準(zhǔn)為所有歐洲共同體的安全規(guī)程組織所采用。其余的安 全規(guī)程組織,如美國UL、加拿大標(biāo)準(zhǔn)機(jī)構(gòu)(CAS)和日本的VCCI —起努力,在 IEC標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上采用統(tǒng)一的安全規(guī)程。這將使同一套標(biāo)準(zhǔn)在全世界范圍都可使 用。但在這套協(xié)調(diào)好后的標(biāo)準(zhǔn)被采用之前,世界上各個國家的這些標(biāo)準(zhǔn)還是有差 別的。
  在每個國家,不同的市場也有不同的標(biāo)準(zhǔn)。例如,電信市場與病人相關(guān)的醫(yī) 療市場就有不同的安全規(guī)程要求。所以,在產(chǎn)品設(shè)計流程開始之前,確定產(chǎn)品的 目標(biāo)市場是非常重要的。市場的不同,也是ffiC標(biāo)準(zhǔn)要努力協(xié)調(diào)的一部分。

  在“離線式”或輸入交流電壓90~260V的開關(guān)電源中,通常使用的磁心是 E-E磁心和從E-E磁心派生出來的一些磁心。這些磁心都有骨架,這使得它們制 造比較容易。安全規(guī)程組織對變壓器結(jié)構(gòu)的要求是很明確的。爬電距離或輸入繞 組和輸出繞組表面的距離不能小于4_。為了滿足這個要求,變壓器制造者可以 在骨架中繞線區(qū)的兩端放置2mm厚的絕緣帶,把繞線繞在邊沿的帶子之間。這 些邊沿的帶子在絕緣的繞組之間總共增加了 4mm的距離。常見的符合ffiC標(biāo)準(zhǔn) 的變壓器如圖3-24所示。


  導(dǎo)線從骨架中引出的時候也要繞上絕緣帶,這也是由于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定導(dǎo)線通過這 4mm空間時的要求。輸入和輸出端之間也要有4mm的距離,也就是它們之間的 爬電距離要比這個大。這可以通過骨架上輸出端模壓成“固定槽”或類似的結(jié)構(gòu)
  來實現(xiàn)。
  輸入的兩個極性Ct流的正負(fù)端,H1和H2 (或相線與零線)]之間的爬電 距禹最少要有3.2mm。
  表面的電導(dǎo)率隨著它工作時所處的環(huán)境和平均濕度的長期影響而變化。上面 提到的爬電距離要隨著應(yīng)用場合的不同(如工業(yè)、電信等)而改變。設(shè)計者一定 要參考適用的技術(shù)規(guī)范。
  額外增加的絕緣帶、絕緣套管和引出端距離使最后的變壓器成品體積更大, 成本也增加。這是由于這些都是手工操作,需要花費(fèi)很多時間。 
使產(chǎn)品符合安全規(guī)程的另一個方法是二次繞組采用三層絕緣導(dǎo)線。與骨架邊 沿加帶子的方法相比,用三層 絕緣導(dǎo)線可以減小變壓器的 體積和漏感。三層絕緣導(dǎo)線 有三個明顯特點(diǎn),增加了絕 緣層數(shù),可以直接繞在一次 繞組上,在變壓器內(nèi)或周圍 是否要加聚酯薄膜是由其結(jié) 構(gòu)所采用的絕緣方式?jīng)Q定的。
  低漏感的繞制方法
  減小繞組漏感有多種方案和繞制技巧可選擇。漏感是指沒有耦合到磁心或其 他繞組的可測量的電感量。它的影響就像一個獨(dú)立的電感串接在繞組的引線上一 樣。它是導(dǎo)致功率開關(guān)管漏極或集電極和輸出二極管陽極上的尖峰的原因。這是 由于它的磁通無法被二次繞組所匝鏈。
  對于已選定的磁心和計算好的繞組,可以根據(jù)式(3-37)估算漏感。
  ~ 100W, \3
  _對于簡單的一次和二次繞組,取3,如果二次繞組是交錯在一次繞
  組兩層之間,取0.85;
  Lmt——整根繞線繞在骨架上平均每匝的長度,單位為in; nx——要分析的這個繞組所包含的匝數(shù);
  Wx繞組的寬度,單位為in;
  rms——繞線的絕緣厚度,單位為in;
  6W——制作好的變壓器所有繞組的厚度,單位為in。
  公式給出了影響繞組漏感的主要因素。變壓器設(shè)計者能夠控制的主要因素是 選擇磁心中柱長的磁心。繞組越寬,漏感就越小。把繞組的匝數(shù)控制在最少程 度,對減小漏感是有很大幫助的,因為匝數(shù)對漏感的影響是二次方關(guān)系。另外, 一次二次耦合的好壞對一次漏感也有很大的影響。這點(diǎn)可以從把一次繞組分成兩 半,二次繞組夾在中間或交錯在中間的繞法中看出來。
  另外一個比較麻煩的變壓器寄生參數(shù)是線圈的匝間電容,這可以用分布在整 個繞組各個線圈之間的小電容來表示。一次輸入電壓較高的變壓器,繞線間的分 布電容是一個問題。特別是在離線式或高輸入電壓的開關(guān)電源中,這個問題就更 突出了。這個寄生電容是由于同一繞組鄰近線圈的電位不同而引起的。式(3- 38)表示的就是一個繞組中兩匝之間存儲的能量。當(dāng)然,由于一個繞組的相鄰匝 間均存在這個能量,總能量要乘上很多倍,但這個公式說明了這些電容產(chǎn)生的原 因。在開關(guān)轉(zhuǎn)換時,這個能量就以尖峰的形式釋放。 
式中s繞組之間的距尚;單位為m;
  d——導(dǎo)線直徑,單位為m。

  如果線圈一層接著一層來回繞,分布電容存儲的能量就很大。最后,線圈間 的電壓差很大,甚至有可能接近絕緣擊穿電壓。這會得到很糟的結(jié)果。圖3-26 所示的就是三種不同的繞制方法。


  圖3-26減小匝間電容的繞線方法
  a)直接繞法b)累進(jìn)式繞法c)分開骨架的方法 (差)(很好)(好)
  “累進(jìn)式”繞線方法就是先繞第一層的一部分,再在第一層上繞回去,形成 第二層的一部分,這樣交替繞制第一層線圈與第二層線圈。線圈間的最大電壓就 是累進(jìn)的圈數(shù)的倍數(shù)。用分區(qū)骨架把原來的線圈匝數(shù)分成相等的幾部分。在每一 部分中,線圈間的最大電壓差就只有輸入電壓的幾分之一。
  最后一種叫作Z形繞法。在第一層繞好后,把導(dǎo)線拉回到第一層剛開始繞 線的那側(cè),并在第一層上繞線。它的效果介于剛開始提到的直接繞法(最差)與 分段繞法和累進(jìn)式繞法(最好)之間。
  這些減小分布電容的繞制方法可以極大地減小導(dǎo)線間的絕緣壓力,減小了相 鄰線圈間由于絕緣被擊穿而產(chǎn)生電弧的可能性。
  變壓器緊密耦合的繞制方法
  一次與二次、二次與二次繞組的緊密耦合,是變壓器設(shè)計者最理想的目標(biāo)。 如果耦合很差,功率信號在到達(dá)輸出整流器之前就已經(jīng)被延時了。輸出整流器的 正向恢復(fù)周期也會增加這一延時。這使得在開關(guān)轉(zhuǎn)換的過渡過程中,繞組實際上 沒有被加載,存儲在磁心的磁能就導(dǎo)致繞組上產(chǎn)生很大的尖峰。如果增加繞組的 漏感和匝間分布電容中存儲的能量,就會導(dǎo)致一些問題。
  二次繞組間的相互耦合量會影響輸出交叉調(diào)整性能。交叉調(diào)整量是指一個輸 出端的負(fù)載變化時,使其他輸出端電壓波動大小。在多輸出的電源中,可以看成 是其中任何一個輸出端的負(fù)載變化時,所有輸出端的“抗波動”量。如果交叉調(diào) 整性能比較差,則對匝數(shù)比相差大,即輸出高電壓和低電壓并存的變壓器的二次 側(cè)影響特別大。設(shè)計者可以從兩方面提高交叉調(diào)整性能:改善固有的交叉調(diào)整性 能和從電路方面改善交叉調(diào)整性能,這部分在3.9節(jié)(電壓負(fù)反饋)中介紹。改 善固有的交叉調(diào)整性能是通過改進(jìn)變壓器結(jié)構(gòu)方面的技術(shù),在設(shè)計變壓器時實現(xiàn) 的。合理的電源性能通常要求在這兩種方法中把交叉調(diào)整量性能最優(yōu)化。 
第一種方法是通過一對絞合的導(dǎo)線來增加繞組間的耦合。就是把兩根或更多 的導(dǎo)線絞合在一起,然后把它們同時繞到骨架上。對于24 ~ 28號線規(guī)的導(dǎo)線, 大概每英寸絞3圈(或每厘米絞1圈)是比較合適的。絞得太緊,容易損壞絕緣 層。這種方法保證所有的線放在相鄰近的位置,所以可以提供最好的耦合效果。 即使繞組的匝數(shù)不一樣,繞組只有部分是絞合在一起,這種方法也有助于提高繞 組間的耦合因數(shù)。
  另外一種繞線技術(shù)就是多線繞組。這種繞法就是把兩根或多根導(dǎo)線放在一起 同時繞,不過并沒有把這些導(dǎo)線絞合在一起。大部分時候它們是緊挨在一起的。
  市場上有一類導(dǎo)線產(chǎn)品叫多股線,這種線把兩根相互絕緣的導(dǎo)線粘合在一 起。用這種多股線來繞繞組同樣也可以達(dá)到這種效果。對變壓器制造者來說,用 多股線繞起來更容易。

  當(dāng)然,如果一次電壓峰值高于40V時,不能用多線繞組或絞合繞組的繞制 方法來同時繞一次和二次繞組。輸入電壓低于AC 260V時,安全規(guī)程機(jī)構(gòu)要求一 次、二次繞組之間放三層lmil厚的聚酯薄膜[包括粘合劑在內(nèi),總厚度0.006in (0.167mm)]。這會破壞這兩個繞組間的耦合。為了提高一次、二次繞組之間的 耦合,可以把這兩個繞組交叉在一起(見圖3-24)。這種繞制方法比起只是簡單 地把二次繞組繞在一次繞組上的繞法,所花的勞動量更大。因此,在一次、二次 繞組匝數(shù)比超過15~20:1的時候,推薦使用這種交錯繞法。這就包括輸入電壓 為AC240V或比這高而輸出電壓不高于DC + 5V的電源。從圖3-27就可以看出, 交叉繞法在輸入電壓AC 480V的離線反激式電路中的效果

  圖3-27在離線反激式變換器中交叉繞制方法對波形的影響
  (注意尖峰的幅值和整個振蕩的程度) 
從這兩張波形圖中,很容易看出它們之間尖峰能量的區(qū)別。通常這些能量消 耗在一次側(cè)的鉗位或吸收電路中。
  采用上述變壓器繞線技術(shù),盡管會增加變壓器的成本,但是效果比較好,可 以提高整個電源的性能。
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