基极和栅极的驱动变压器

出处:维库电子市场网 发布于:2024-04-02 16:18:23 | 218 次阅读

  使用基极或栅极驱动变压器的B的是为了在控制电路5电位浮动的开关管之 间进行隔离。它们的设计非常简单,但对整个开关电源的可靠性来说是至关重要 的。
  在设计基极或栅极驱动变佧器吋,侖几个重要的闪尜要考虑:
  1. 变佧器的绝缘电低于两倍的输入电乐。虽然变佧器无需进行高佧 (HIP0T)试验,但若变压器存在绝缘问题,一旦开关管损坏时,就会造成控制 电路的损坏。
  2.变压器匝数比一般为1:1,如果采用別的匝数比,耍注意输出电压不能 超过开关管的舌崩士穿电压。
  3.应采用一次.:次耦合得比较好的绕线方法。如果耦合不好,隔离的开关 管丌关速度要比接地的开关管速度慢。
  基极或栅极驱动变压器的设计5正激式变压器的设计类似。对于单象限的驱 动(见图3-23a),驱动电路与变佧器、变佧器输出与开关管之间要加隔且电容。 这些隔直电容值至少要人于所选开关管栅极和源极间电容值的10倍。这是因为 隔直电容形成的电压与开关管栅极与源极间的电容进行分压,将会减小驱动电 压。对十双象限输出(见图3-23b),输入隔直电容可以番略。
  输出耦合电容后面耍加一个直流钳位电路,使驱动电压的参考地与功率开关 管源极接在一起。耦合电容耍足够大,这样保证加到栅极的驱动脉冲不会发生电 压跌落。
  另外,要记住正激式变压器的阻抗会从一边反射到另一边。这就意味着如果 -次侧的驱动是单端驱动(心源开通,无源关断)的话,功率开关管的关断会很 慢。如见采用图腾柱驱动(即推挽式驱动)输出变压器次侧,可以加快功率开 关管的响应。
  驱动变压器可以用铁氧体磁环或E型磁心,由于隔直电容保证变压器丄作 在双象限,所以不需要加气隙。高磁导率的磁心也适合在这种情况下使W。导线 选W#32~#36AWG。磁心尺寸人概是0.4~0.6in (10~15mm)。

  丑_大概取在温度为100°C时饱和磁通密度反al的一半。戌_在1800~2500G (0.18-0.25T)之间比较合适。用式(3-36a)和式(3-36b)来确定一次绕组匝 数。

  图3-23变压器耦合的基极和栅极驱动电路例 a)单个MOSFET驱动电路b)双MOSFET驱动电路
  式中,炙单位为cm2,单位为G。 式中,炙单位为m2,单位为T。
  如果计算出来的匝数是小数的话,均取大于小数的最小整数,然后用这个匝 数乘以需要的匝数比就是二次匝数。对于MOSFET,变压器的匝数比一般为1:1, 而对于双极型功率晶体管,匝数比可能要小些。
  当输入的直流电压高于100V时,在一次和二次绕组之间、各二次绕组之间 要加聚酯薄膜。由于导线在绕制过程中,导线的绝缘层有可能刮破,所以不要过 分相信导线的绝缘击穿电压。
  3.5.9开关电源变压器的绕线技术
  开关电源变压器的物理绕制方法是很重要的,它会使电源性能差别很大。好 的绕制方法可以使电源性能变得非常好,反之也可以使电源噪声很大,性能变 差。开关电源变压器与50/60HZ的工频变压器相比,设计要求更为苛刻。
  变压器的绕制,主要有三个方面的因素要考虑:
  2电源是否必须符合所有的安全规范。
  3绕组之间耦合要好。
  4所有绕组的漏感应尽可能小。
  这些因素有些是相互影响的,所以需要采取折中办法。 绕组符合安全规程
  如果开关电源的输入电压峰值高于40V,就要受到一个或多个国际安全规程 组织所制订的规程约束。这些组织一般互相借鉴对方的安全规程,但设计者仍要 再查看自己产品所销往的市场对这方面的要求。国际电工委员会(IEC)是这些 标准的主要制订者,其标准为所有欧洲共同体的安全规程组织所采用。其余的安 全规程组织,如美国UL、加拿大标准机构(CAS)和日本的VCCI —起努力,在 IEC标准的基础上采用统一的安全规程。这将使同一套标准在全世界范围都可使 用。但在这套协调好后的标准被采用之前,世界上各个国家的这些标准还是有差 别的。
  在每个国家,不同的市场也有不同的标准。例如,电信市场与病人相关的医 疗市场就有不同的安全规程要求。所以,在产品设计流程开始之前,确定产品的 目标市场是非常重要的。市场的不同,也是ffiC标准要努力协调的一部分。

  在“离线式”或输入交流电压90~260V的开关电源中,通常使用的磁心是 E-E磁心和从E-E磁心派生出来的一些磁心。这些磁心都有骨架,这使得它们制 造比较容易。安全规程组织对变压器结构的要求是很明确的。爬电距离或输入绕 组和输出绕组表面的距离不能小于4_。为了满足这个要求,变压器制造者可以 在骨架中绕线区的两端放置2mm厚的绝缘带,把绕线绕在边沿的带子之间。这 些边沿的带子在绝缘的绕组之间总共增加了 4mm的距离。常见的符合ffiC标准 的变压器如图3-24所示。


  导线从骨架中引出的时候也要绕上绝缘带,这也是由于标准规定导线通过这 4mm空间时的要求。输入和输出端之间也要有4mm的距离,也就是它们之间的 爬电距离要比这个大。这可以通过骨架上输出端模压成“固定槽”或类似的结构
  来实现。
  输入的两个极性Ct流的正负端,H1和H2 (或相线与零线)]之间的爬电 距禹最少要有3.2mm。
  表面的电导率随着它工作时所处的环境和平均湿度的长期影响而变化。上面 提到的爬电距离要随着应用场合的不同(如工业、电信等)而改变。设计者一定 要参考适用的技术规范。
  额外增加的绝缘带、绝缘套管和引出端距离使最后的变压器成品体积更大, 成本也增加。这是由于这些都是手工操作,需要花费很多时间。 
使产品符合安全规程的另一个方法是二次绕组采用三层绝缘导线。与骨架边 沿加带子的方法相比,用三层 绝缘导线可以减小变压器的 体积和漏感。三层绝缘导线 有三个明显特点,增加了绝 缘层数,可以直接绕在一次 绕组上,在变压器内或周围 是否要加聚酯薄膜是由其结 构所采用的绝缘方式决定的。
  低漏感的绕制方法
  减小绕组漏感有多种方案和绕制技巧可选择。漏感是指没有耦合到磁心或其 他绕组的可测量的电感量。它的影响就像一个独立的电感串接在绕组的引线上一 样。它是导致功率开关管漏极或集电极和输出二极管阳极上的尖峰的原因。这是 由于它的磁通无法被二次绕组所匝链。
  对于已选定的磁心和计算好的绕组,可以根据式(3-37)估算漏感。
  ~ 100W, \3
  _对于简单的一次和二次绕组,取3,如果二次绕组是交错在一次绕
  组两层之间,取0.85;
  Lmt——整根绕线绕在骨架上平均每匝的长度,单位为in; nx——要分析的这个绕组所包含的匝数;
  Wx绕组的宽度,单位为in;
  rms——绕线的绝缘厚度,单位为in;
  6W——制作好的变压器所有绕组的厚度,单位为in。
  公式给出了影响绕组漏感的主要因素。变压器设计者能够控制的主要因素是 选择磁心中柱长的磁心。绕组越宽,漏感就越小。把绕组的匝数控制在最少程 度,对减小漏感是有很大帮助的,因为匝数对漏感的影响是二次方关系。另外, 一次二次耦合的好坏对一次漏感也有很大的影响。这点可以从把一次绕组分成两 半,二次绕组夹在中间或交错在中间的绕法中看出来。
  另外一个比较麻烦的变压器寄生参数是线圈的匝间电容,这可以用分布在整 个绕组各个线圈之间的小电容来表示。一次输入电压较高的变压器,绕线间的分 布电容是一个问题。特别是在离线式或高输入电压的开关电源中,这个问题就更 突出了。这个寄生电容是由于同一绕组邻近线圈的电位不同而引起的。式(3- 38)表示的就是一个绕组中两匝之间存储的能量。当然,由于一个绕组的相邻匝 间均存在这个能量,总能量要乘上很多倍,但这个公式说明了这些电容产生的原 因。在开关转换时,这个能量就以尖峰的形式释放。 
式中s绕组之间的距尚;单位为m;
  d——导线直径,单位为m。

  如果线圈一层接着一层来回绕,分布电容存储的能量就很大。最后,线圈间 的电压差很大,甚至有可能接近绝缘击穿电压。这会得到很糟的结果。图3-26 所示的就是三种不同的绕制方法。


  图3-26减小匝间电容的绕线方法
  a)直接绕法b)累进式绕法c)分开骨架的方法 (差)(很好)(好)
  “累进式”绕线方法就是先绕第一层的一部分,再在第一层上绕回去,形成 第二层的一部分,这样交替绕制第一层线圈与第二层线圈。线圈间的最大电压就 是累进的圈数的倍数。用分区骨架把原来的线圈匝数分成相等的几部分。在每一 部分中,线圈间的最大电压差就只有输入电压的几分之一。
  最后一种叫作Z形绕法。在第一层绕好后,把导线拉回到第一层刚开始绕 线的那侧,并在第一层上绕线。它的效果介于刚开始提到的直接绕法(最差)与 分段绕法和累进式绕法(最好)之间。
  这些减小分布电容的绕制方法可以极大地减小导线间的绝缘压力,减小了相 邻线圈间由于绝缘被击穿而产生电弧的可能性。
  变压器紧密耦合的绕制方法
  一次与二次、二次与二次绕组的紧密耦合,是变压器设计者最理想的目标。 如果耦合很差,功率信号在到达输出整流器之前就已经被延时了。输出整流器的 正向恢复周期也会增加这一延时。这使得在开关转换的过渡过程中,绕组实际上 没有被加载,存储在磁心的磁能就导致绕组上产生很大的尖峰。如果增加绕组的 漏感和匝间分布电容中存储的能量,就会导致一些问题。
  二次绕组间的相互耦合量会影响输出交叉调整性能。交叉调整量是指一个输 出端的负载变化时,使其他输出端电压波动大小。在多输出的电源中,可以看成 是其中任何一个输出端的负载变化时,所有输出端的“抗波动”量。如果交叉调 整性能比较差,则对匝数比相差大,即输出高电压和低电压并存的变压器的二次 侧影响特别大。设计者可以从两方面提高交叉调整性能:改善固有的交叉调整性 能和从电路方面改善交叉调整性能,这部分在3.9节(电压负反馈)中介绍。改 善固有的交叉调整性能是通过改进变压器结构方面的技术,在设计变压器时实现 的。合理的电源性能通常要求在这两种方法中把交叉调整量性能最优化。 
第一种方法是通过一对绞合的导线来增加绕组间的耦合。就是把两根或更多 的导线绞合在一起,然后把它们同时绕到骨架上。对于24 ~ 28号线规的导线, 大概每英寸绞3圈(或每厘米绞1圈)是比较合适的。绞得太紧,容易损坏绝缘 层。这种方法保证所有的线放在相邻近的位置,所以可以提供最好的耦合效果。 即使绕组的匝数不一样,绕组只有部分是绞合在一起,这种方法也有助于提高绕 组间的耦合因数。
  另外一种绕线技术就是多线绕组。这种绕法就是把两根或多根导线放在一起 同时绕,不过并没有把这些导线绞合在一起。大部分时候它们是紧挨在一起的。
  市场上有一类导线产品叫多股线,这种线把两根相互绝缘的导线粘合在一 起。用这种多股线来绕绕组同样也可以达到这种效果。对变压器制造者来说,用 多股线绕起来更容易。

  当然,如果一次电压峰值高于40V时,不能用多线绕组或绞合绕组的绕制 方法来同时绕一次和二次绕组。输入电压低于AC 260V时,安全规程机构要求一 次、二次绕组之间放三层lmil厚的聚酯薄膜[包括粘合剂在内,总厚度0.006in (0.167mm)]。这会破坏这两个绕组间的耦合。为了提高一次、二次绕组之间的 耦合,可以把这两个绕组交叉在一起(见图3-24)。这种绕制方法比起只是简单 地把二次绕组绕在一次绕组上的绕法,所花的劳动量更大。因此,在一次、二次 绕组匝数比超过15~20:1的时候,推荐使用这种交错绕法。这就包括输入电压 为AC240V或比这高而输出电压不高于DC + 5V的电源。从图3-27就可以看出, 交叉绕法在输入电压AC 480V的离线反激式电路中的效果

  图3-27在离线反激式变换器中交叉绕制方法对波形的影响
  (注意尖峰的幅值和整个振荡的程度) 
从这两张波形图中,很容易看出它们之间尖峰能量的区别。通常这些能量消 耗在一次侧的钳位或吸收电路中。
  采用上述变压器绕线技术,尽管会增加变压器的成本,但是效果比较好,可 以提高整个电源的性能。
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