Технические_характеристики_импульсных_трансформаторов

Технические_характеристики_импульсных_трансформаторов

Особенности применения трансформаторов в импульсных преобразователях электрической энергии. Часть 1

Александр Русу, Одесса, Украина

Как известно, существует всего два электромагнитных прибора, с помощью которых параметры электрической энергии можно преобразовать с максимально возможной эффективностью: дроссель и трансформатор. С технологической точки зрения они практически одинаковы и отличаются только режимом работы: трансформатор пропускает энергию «сквозь себя», не накапливая ее в магнитном поле, а дроссель работает по принципу «взял-сохранил-отдал».

В [1] было показано, что при одной и той же преобразуемой мощности и рабочей частоте габаритные размеры трансформатора могут быть до восьми раз меньше чем у дросселя. Однако использование трансформатора приводит к усложнению схемы и проблемам при регулировке выходного напряжения, поэтому маломощные (до 150…200 Вт) преобразователи обычно строятся по схемам на основе дросселя, а мощные…

А с мощными преобразователями будем разбираться в этой статье, которая подводит итог первой части цикла об импульсном преобразовании электрической энергии, посвященного особенностям схемотехники их силовой части. Как обычно, читателю рекомендуется предварительно ознакомиться с уже опубликованными в журнале и на сайте РадиоЛоцман материалами [1 – 8], а для более глубокого понимания сути происходящих процессов – с более «тяжелыми» статьями в научных журналах [9 – 11].

Структурная схема преобразователя на основе трансформатора

Итак, изучив [1 – 7], попробуем синтезировать мощный преобразователь, основным элементом которого является трансформатор. Согласно формулам, полученным в [1], габариты трансформатора зависят от его рабочей частоты. Поскольку частота напряжения на входе и выходе преобразователей невелика (50. 400 Гц), а то и вовсе равна нулю (для DC/DC преобразователей), для того чтобы трансформатор работал на высокой частоте, необходимы два дополнительных узла: модулятор и демодулятор. Модулятор преобразует входное низкочастотное напряжение в напряжение высокой частоты, амплитуда которого пропорциональна напряжению на входе, а демодулятор выполняет обратную функцию (Рисунок 1).

Рисунок 1. Структурная схема преобразователя на основе трансформатора.

Предвидя возможную (и обоснованную) критику со стороны читателей, уже знакомых со схемотехникой мощных преобразователей, сразу обращаю внимание, что в DC/DC преобразователях, исторически появившихся первыми, эти узлы в свое время назвали, соответственно, «инвертор» и «выпрямитель», поскольку они действительно преобразовывали постоянный ток в переменный и наоборот. Однако импульсным способом можно изменять величину не только постоянного, но и переменного напряжения [8], поэтому соответствующие узлы AC/AC преобразователей, у которых на входе и выходе присутствует переменного напряжение, уже как-то технически некорректно называть инверторами или выпрямителями.

Итак, преобразователь на Рисунке 1 позволяет изменить величину напряжения на входе только на какую-то конкретную величину, однако его еще нужно как-то регулировать, ведь входное напряжение и ток нагрузки практически никогда не бывают стабильными. Можно, конечно, использовать трансформатор с отпайками (Рисунок 2), но такая схема со ступенчатой регулировкой вряд ли удовлетворит требования к качеству выходного напряжения, необходимые в большинстве приложений, да и сложность такой схемы намного больше, чем у известных решений.

Рисунок 2. Схема преобразователя с дискретной регулировкой выходного напряжения.

Из опыта построения «классических» выпрямителей на основе низкочастотных трансформаторов известно, что для точной регулировки выходного напряжения используют специальный узел – стабилизатор, устанавливаемый на выходе устройства (Рисунок 3). Именно такой принцип – двукратного преобразования напряжения (энергии) – и используется при построении мощных импульсных преобразователей: вначале система модулятор-трансформатор-демодулятор преобразовывает входное напряжение до некоторого промежуточного нестабилизированного уровня, а затем стабилизатор изменяет его до требуемого значения с необходимой точностью.

Рисунок 3. Структурная схема стабилизированного преобразователя на основе трансформатора.

Способы реализации преобразователя на основе трансформатора

Но какую схему использовать для построения стабилизатора? Использование «классических» компенсационных стабилизаторов, например 78хх/79хх, обладающих большими габаритами из-за наличия радиатора и низким КПД, сведет к нулю весь выигрыш от использования трансформатора. LDO-стабилизаторы, являющиеся разновидностью компенсационных схем, эффективны только при небольшой разнице между входным и выходным напряжением; при ее увеличении их КПД также стремительно падает. Да и большинство компенсационных схем рассчитано на использование в схемах постоянного тока и поддерживают только режим передачи [3]. Но ведь иногда необходимо преобразовать переменное напряжение или работать на нагрузку реактивного характера [3, 8].

Но почему стабилизатор обязательно должен быть компенсационным? Обратите внимание, что этот узел тоже является преобразователем напряжения, а это значит, что для его построения, теоретически, можно использовать любую из схем на основе как дросселя, так и трансформатора. Однако преобразователь на основе трансформатора в устройстве уже есть, и мы как раз пытаемся компенсировать его недостатки, поэтому остаются «дроссельные» схемы, способные в силу своего принципа работы [2, 3] плавно изменять в широких пределах коэффициент передачи, что полностью компенсирует недостаток плохо регулируемых «трансформаторных» схем.

Читайте также:  Плита_газовая_energy_en_004b

В [2] показано, что «базовой» схемой для «дроссельных» преобразователей является обратноходовая. Но в ней через магнитопровод дросселя передается вся мощность нагрузки, а это означает, что в устройстве все равно остается дроссель, габариты которого будут как минимум в 8 раз больше трансформатора. А поскольку обратноходовая схема обеспечивает гальваническую развязку и за счет изменения коэффициента трансформации дросселя [4] может работать при любом соотношении напряжений на входе и выходе, то использование трансформатора вместе с сопутствующими узлами (модулятором и демодулятором) при построении стабилизатора по обратноходовой схеме становится полностью бессмысленным.

Но есть еще три схемы «дроссельных» преобразователей, которые можно получить, соединив определенным образом вход и выход обратноходового импульсного регулятора [2] c входом и выходом преобразователя: понижающая, повышающая и инвертирующая. Инвертирующую схему можно сразу исключить, поскольку она по своим характеристикам мало чем отличается от обратноходовой, а вот на понижающую и повышающую следует обратить внимание, ведь их главный недостаток – отсутствие гальванической развязки – устраняется наличием трансформатора.

Рисунок 4. Зависимость величины относительной преобразуемой мощности от соотношения
напряжений на входе и выходе «дроссельных» преобразователей.

В [2] было показано, что при соединении входа или выхода импульсного регулятора последовательно с входом и выходом преобразователя величина преобразуемой мощности РИР (мощности, проходящей через магнитное поле магнитопровода дросселя) зависит от соотношения напряжений на входе и выходе UВХ и выходе UВЫХ преобразователя (Рисунок 4). Таким образом, если нам необходимо уменьшить (увеличить) напряжение только на 10%, то при использовании понижающей (повышающей) схемы необходим дроссель с размерами в 10 раз меньшими, чем у дросселя обратноходового преобразователя (при условии, что магнитопроводы дросселей будут выполнены из одного и того же материала и работать в одинаковых режимах [6]). В этом случае размеры дросселя уже становится соизмеримыми с размерами трансформатора, работающего на той же частоте. Но какую схему использовать для построения стабилизатора: понижающую или повышающую?

Рисунок 5. Схемы преобразователей на основе трансформатора с импульсными
стабилизаторами понижающего (вверху) и повышающего (внизу) типов.

На первый взгляд оба варианта (Рисунок 5) идентичны. В общем случае в этих схемах трансформатор и стабилизатор могут работать в асинхронном режиме на разных частотах и быть совершенно независимыми узлами. Даже если трансформатор и дроссель стабилизатора будут работать синхронно на одной частоте, использование такого подхода уже даст неплохой выигрыш в габаритах индуктивных элементов по сравнению с дросселем «базовой» обратноходовой схемы: трансформатор будет меньше в 8 раз, а дроссель – в 5…10 раз (при использовании оптимальных режимов работы магнитопровода [6]). Это в итоге позволит уменьшить общую массу и габариты индуктивных элементов такого устройства как минимум вдвое. Однако сложность такой схемы теперь становится очень высокой – только наличие двух контроллеров, даже работающих в синхронном режиме, уже может создать множество проблем для разработчика, ну а наличие шести силовых ключей приведет к уменьшению КПД и увеличению, за счет дополнительных радиаторов, габаритов и стоимости преобразователя.

Перспективы применения новой серии импульсных трансформаторов Epcos B82804A в схемах управления затвором MOSFET

Автор: Васильева К.Л.

В статье рассмотрены основные характеристики миниатюрных импульсных трансформаторов серии B82804A, изготавливаемых компанией Epcos-TDK – мирового лидера в области производства электронных компонентов и магнитомягких материалов. Показаны особенности применения трансформаторов (Gate Drive Transformers) в схемах управления затвором MOSFET и перспективы применения силовых модулей на их основе в мощных преобразователях и другом силовом оборудовании.

Развитие силовой полупроводниковой импульсной техники и увеличивающаяся с каждым годом потребность в современной элементной базе привели к появлению на рынке РЭА миниатюрных устройств и компонентов с улучшенными характеристиками. На сегодняшний день, к ключевым элементам, широко применяемым в источниках питания, усилителях, мощных приводах, аналоговых и цифровых микросхемах, можно отнести основные переключающие устройства — МОП-транзисторы с изолированным затвором (англ. обозначение MOSFET).

На сегодняшний день последние разработки многих компаний — мировых лидеров электронной отрасли направлены на изготовление и усовершенствование высокоэффективных и мощных МОП-транзисторов, а также управляющих устройств. Основные типы структур выпускаемых MOSFET представлены на рисунке 1 [1].

Читайте также:  Русская_печь_без_лежанки_с_плитой

Типы структур МОП-транзистора [1]

Повышенный интерес к таким компонентам, в первую очередь, обусловлен тем, что в отличие от биполярного транзистора управление выходным сигналом MOSFET осуществляется не током, а напряжением через затвор, который отделен от проводящего канала слоем диэлектрика (SiO2) [2-5]. При этом, ток по цепи затвора, за исключением момента открытия и закрытия, практически не протекает. Такое техническое исполнение позволяет отказаться от работы на дискретных элементах и значительно упростить схему. В частности, можно использовать драйверы, которые помимо управления также обеспечивают защиту от перегрузок по току и короткому замыканию. Кроме того, МОП-транзисторы имеют достаточно большие входные сопротивления, характеризуются повышенной теплоустойчивостью и низким уровнем шума, в частности, на низких частотах.

Тем не менее, несмотря на ряд отмеченных преимуществ MOSFET, выбор схемы управления мощными транзисторами не всегда является простой задачей. Связано это с тем, что применение драйвера предполагает его согласование с силовым модулем по управляющему напряжению и току затвора [3-5]. Кроме того, при создании мощных преобразователей сложности могут также возникать при создании топологий схем с плавающим ключом, в то время как интегральные схемы для управления транзисторами «верхнего плеча» не обеспечивают требуемого уровня защиты по току и изоляции [4].

В этой связи, достаточно простым и экономичным решением может стать применение импульсных трансформаторов (Gate Drive Transformers). Наряду с гальванической развязкой трансформаторы GDT могут обеспечить управление затвором мощного транзистора в полумостовых и мостовых схемах, вследствие чего их часто устанавливают в блоках питания, преобразователях частоты и преобразователях постоянного тока в переменный и других узлах электрических схем.

В отличие от оптических драйверов модули с Gate Drive Transformers отличаются быстродействием и меньшей чувствительностью к шумам. Кроме того, GDT трансформаторы просты в управлении, изготовлении и имеют низкую стоимость. При проектировании GDT разработчики, как правило, используют кольцевые ферритовые сердечники небольших размеров (рисунок 1). Выбор материала магнитопровода определяется, исходя из рабочей частоты [6,7]. Для снижения влияния паразитных параметров обеспечивается равномерная, распределенная плотная обмотка проводом малого диаметра. Способы намотки и особенности расчета GDT на ферритовых кольцах рассмотрены в источнике [6]. Тем не менее, подбор материала и размера сердечника, проведение и проверка расчетов, а также осуществление качественной намотки, требуют определенного времени и навыков. В связи с этим, все большее распространение получают готовые трансформаторы GDT.

Среди компонентов, выпускаемых серийно различными компаниями, особое внимание заслуживают трансформаторы GDT серии B B82804A фирмы Epcos (Рисунок 2).

Рисунок 2- Импульсные трансформаторы Epcos (GDT) [8]

Эти трансформаторы характеризуются не только улучшенными электрическими характеристиками, но и миниатюрными размерами (8,1мм x 6,7мм x 5,4мм) (рисунок 3). Основу конструкции Gate Drive составляет сердечник конфигурации EP5, сравнительно малые размеры которого позволяют значительно сократить место на плате даже при использовании сразу нескольких трансформаторов. Подключение контуров для управления затвором МОП-транзистора осуществляется в диапазоне частот от 150 кГц до несколько мегагерц. У всех типов серии B82804A напряжение развязки составляет 1500 В. Выпускаемые Epcos элементы рассчитаны на окружающую температуру до 85°C и рабочую температуру до 125°C. Конфигурация и распайка выводов осуществляется в соответствии с установленными стандартами [8].

Рисунок 3 – Схематическое изображение миниатюрных трансформаторов GDT Epcos [9]

Технические характеристики выпускаемых трансформаторов серии B82804A приведены в таблице 1. Несмотря на то, что довольно часто применение импульсных трансформаторов сопровождается проявлением паразитных параметров, таких как индуктивность рассеяния и собственная емкость изделия, разработанная компанией Epcos техника намотки, позволяет снизить их влияние. Так, например, значения паразитной емкости между обмотками в серии B82804A могут варьироваться в зависимости от выбранного компонента от 25 пФ до 95 пФ [8].

Таблица 1 – Технические характеристики трансформаторов GDT Epcos [9]
L, мкГн Чертеж Соотношение числа витков R(DC)первич.,Ом R(DC)вторич.,Ом fрез., МГц Код заказа
300 Рисунок 3 А 2,5:1:1 1,8 0,3 2,6 B82804A0304A225
317 Рисунок 3 А 2:1:1 1,6 0,45 2 B82804A0324A220
264 Рисунок 3 А 1:1:1 1,5 1,5 2,9 B82804A0264A210
350 Рисунок 3 В 1:1 1 0,65 1,2 B82804A0354A110
690 Рисунок 3 В 1:5:1 1,65 0,86 0,7 B82804A0694A115
473 Рисунок 3 В 2:5:1 1,5 0,3 1,7 B82804A0474A125

На практике, непосредственное подключение миниатюрного трансформатора GDT может быть реализовано на выходе микросхемы драйвера через разделительный конденсатор. Вторичная обмотка подводится непосредственно к затвору МОП-транзистора, в то время как резисторы должны располагаться со стороны первичной обмотки трансформатора. Защитные диоды устанавливаются на выходе драйвера и должны быть подключены даже при отсутствии проблем с реактивной составляющей тока в трансформаторе [4].

Читайте также:  Трахикарпус_форчуна_из_семян

Рисунок 4 – типовая схема драйвера для MOSFET [10]

На рисунке 4 представлена типовая схема драйвера MOSFET с использованием импульсного трансформатора. Согласно схеме, представленной на рисунке 4, разделительный конденсатор установлен последовательно с первичной обмоткой импульсного трансформатора, чтобы сбрасывать напряжение в процессе намагничивания. Диод Зенера (VD) применяется в схеме для снижения скачков напряжения на затворе. Резистор Rg устанавливают, чтобы избежать появления тока пульсаций на затворе. Рассматриваемый драйвер является достаточно простым устройством, легко интегрируется в узел схемы. Тем не менее, следует учитывать, что выходное напряжение снижается вместе с увеличением коэффициента заполнения импульсов [10].

При высоких коэффициентах заполнения может быть использована схема (рисунок 5), предложенная авторами [10].

Рисунок 5 – Схема драйвера с применением импульсного трансформатора [10]

На рисунке 5 отмечены импульсный трансформатор TX1, резисторы R3 и R4, подключенные к первичной и вторичной обмоткам соответственно, индуктивности LI и L2, а также разделительные конденсаторы C1, C5, C6. Кроме того, в данную схему добавлена серия компонентов, в частности, запасающие энергию конденсаторы C7, C4. Двухтактный каскад реализован за счет транзисторов Q1 и Q2, диода Зенера D3 и обычного диода D1 [10]. Реализация такого драйвера позволяет повысить скорость переключения, снизить время задержки сигнала. Более того, применение схемы, представленной на рисунке 4, повышает помехоустойчивость и надежность за счет подачи отрицательного напряжения к затвору в закрытом положении.

Рисунок 6 – Драйвер MOSFET с использованием импульсного трансформатора [11]

На рисунке 6 также представлена схема драйвера для управления затвором транзистора. Сигнал поступает на первичную обмотку импульсного трансформатора, вторичные обмотки осуществляют управление затвором «полумоста». В такой схеме применение GDT трансформатора является практичным решением, поскольку для управления контуром MOSFET, соединенным с вторичной обмоткой трансформатора, она не требует использования изолированных источников питания [11].
Таким образом, в настоящем обзоре показаны особенности управления затвором MOSFET, рассмотрены типовые схемы драйверов с использованием в их узлах миниатюрных импульсных трансформаторов. Кроме того, в статье подробно рассмотрены основные характеристики трансформаторов GDT фирмы Epcos и преимущества таких миниатюрных компонентов перед изделиями, изготавливаемыми вручную. Отмечена повышенная степень надежности, высокая скорость переключения и простота эксплуатации Gate Drive Transformers (Epcos) при управлении затворами MOSFET в сравнении с оптическими драйверами, что позволяет реализовывать на практике высокоэффективные экономичные и конкурентоспособные устройства для силовой электроники и РЭА.

Импульсные трансформаторы серии В82804 от EPCOS

Ассортимент компании «ЧИП и ДИП» пополнился трансформаторами серии B82804* для гальванической развязки и управления затвором транзисторов.

Основу конструкции Gate Drive составляет сердечник конфигурации EP5, сравнительно малые размеры которого позволяют значительно сократить место на плате даже при использовании сразу нескольких трансформаторов. Подключение контуров для управления затвором МОП-транзистора осуществляется в диапазоне частот от 150 кГц до несколько мегагерц. У всех типов серии B82804A напряжение развязки составляет 1500 В. Выпускаемые Epcos элементы рассчитаны на окружающую температуру до 85°C и рабочую температуру до 125°C. Конфигурация и распайка выводов осуществляется в соответствии с установленными стандартами.Эти трансформаторы характеризуются не только улучшенными электрическими характеристиками, но и миниатюрными размерами (8.1мм x 6.7мм x 5,4мм).

К ключевым параметрам, на которые необходимо ориентироваться при выборе импульсных трансформаторов GDT можно отнести:

  • L – индуктивность, Гн;
  • U – напряжение развязки, В;
  • fрез – резонансная частота, Гц;
  • R(DC) – сопротивление первичной и вторичной обмоток, Ом;
  • Cоотношение числа витков.

Технические характеристики выпускаемых трансформаторов серии B82804A приведены в таблице. Несмотря на то, что довольно часто применение импульсных трансформаторов сопровождается проявлением паразитных параметров, таких как индуктивность рассеяния и собственная ёмкость изделия, разработанная компанией Epcos техника намотки, позволяет снизить их влияние. Так, например, значения паразитной ёмкости между обмотками в серии B82804A могут варьироваться в зависимости от выбранного компонента от 25 пФ до 95 пФ.

Основными преимуществами трансформаторов GDT фирмы Epcos серии B82804 являются миниатюрные размеры, повышенная степень надёжности, высокая скорость переключения, простота эксплуатации Gate Drive Transformers (Epcos) при управлении затворами MOSFET в сравнении с оптическими драйверами, что позволяет реализовывать на практике высокоэффективные экономичные и конкурентоспособные устройства для силовой электроники и РЭА.

Ссылка на основную публикацию
Adblock detector