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高频脉冲变压器GDT设计教程

正文#
更多 发布于:2014-10-21 05:34
深入学习高频脉冲变压器GDT的设计

科创网魏广寅原创,转载请注明本文链接。

    脉冲变压器属于高频变压器的范畴,与普通高频变压器工况有别。脉冲变压器要求输出波形能严格还原输入波形,前后沿陡峭,平顶斜降小。
    在众多的制作实践中,随处可见脉冲变压器的身影。例如DRSSTC中的全桥驱动GDT(Gate Driving Transformers门极驱动变压器),感应加热电路中的GDT等等,相信KCer对其功能和重要性都有一定了解。但谈到如何具体设计一个符合规格的脉冲变压器,相信也还有不少人停留在简单的匝比计算或是经验设计层面,没有深入地研究。每每遇到磁芯的选择,匝数、线材的确定时,都无从下手。本文针对这些问题,在高压版black、ry7740kptv、山猫等大神的鼓舞下,将本人的学习心得形成图文与大家分享,旨在抛砖引玉。因本人水平有限,如若存在错漏,望斧正为谢。
    下面从一个简易的GDT驱动电路说起
 

图片:22__55f30cc18ee2925.jpg


     上图中,T1为脉冲变压器,当初级(左侧)为上正下负时,右侧输出上正下负信号,该信号通过D3、D4、C23、RG,给IGBT的Cge充电,当充电电压达到VGE(ON)时IGBT的C、E开通,并且C23充电,C23的充电电压被D5钳制在8V。当T1输入为上负下正时,D3反向截止,T1的输出被阻断。在R15偏置电阻提供的偏流下,C23存储的电压构成反偏,迅速抽干Cge存储的电荷,使IGBT快速关断。
    那么,根据实测值或相关厂商数据,有以下已知数据。
1、IGBT型号:IKW50N60T
2、开关频率fs:50KHz
3、栅极正偏电压+VGE:+15V
4、栅极反偏电压-VGE:-8V
5、脉冲变压器初级侧驱动电压:+24V
6、单个IGBT驱动电压占空比D:0.46
7、栅极电阻RG:10Ω
8、IGBT管内栅极电阻Rg:0Ω
9、三极管饱和压降:Vces=0.3V
10、二极管压降:VDF=0.55V
11、GDT效率η:90%

一、计算IGBT驱动所需的峰值电流IGPK
IGPK=(+VGE-(-VGE))/RG+Rg=23/(10+0)=2.3A

二、计算次级电流有效值Isrms
Isrms=IGPK D^0.5=2.3×0.68=1.56A

三、计算次级单个绕组输出功率Ps
Ps=VsIsrms=(+VGE+VDF+(RG+Rg)Isrms)Isrms
=(+15+0.5+(10+0)×1.56)×1.56=48.5W

四、计算初级输入功率PT,因为该电路中,一个变压器含2个相同的输出绕组,所以
Pi=2Ps/η=2×48.5/0.9=107.8W

五、计算脉冲变压器初、次级总功率Pr。(注意,根据变压器功率守恒,总功率等于输入功率等于输出功率,但这里计算总功率是为了计算线圈占据的空间或窗口面积使用,不要混淆了)
PT=2Ps+Pi=2×48.5+107.8=203.8W

六、计算GDT所用磁芯尺寸
磁芯尺寸用Ap来表示,Ap=AwAe,其中Aw为磁芯窗口面积,Ae为磁芯有效截面积。根据磁芯选择的条件,该电路使用PC40锰锌软磁铁氧体材质的G型磁罐,以提高脉冲响应带宽,减少磁泄露。
 

图片:22__9ab09b17d6bc722.jpg


 
 

图片:22__5214192b93d6c86.jpg



 如上表,允许温升为25℃时,磁罐的电流密度系数Kj=433,结构常数X=-0.17。对于PC40材质,查得饱和磁通密度为Bmsat≈560mT=0.52T
当f<50kHz时,   Bmax=0.5Bmsat
当f<100kHz时,  Bmax=0.4Bmsat
当f<500kHz时,  Bmax=0.25Bmsat
当f<1MHz时,  Bmax=0.1Bmsat
那么本电路中设计工作频率为50KHz,而且磁芯为单象限工作,所以取工作磁通密度Bw=Bmax=0.4Bmsat=0.4×0.52T=0.208T
根据磁芯尺寸计算公式
Ap=(PT×10^4/K0KffsBwKj)^(1/1+X)
得出Ap=0.217cm4,那么,只要所选的磁芯Aw与Ae的乘积低于Ap 0.217cm4即可。下面来看磁芯选型表,下表是P型磁罐的参数(找不到G型的,P型类似),对于EE,EI,磁环等磁芯的选型见附表。
 PC40磁芯参数.rar

  

图片:22__12b73f33d7a6b71.jpg


 从上表参数计算得出,P23/18磁罐的Ap=0.36cm4,P23/18的Ap为0.18cm4,因此选用与P23/18尺寸接近的G22/13磁芯。

七、计算初级绕组匝数Np
Np=Vin×10^4/4BWfsAe=24×10E4/(4×0.21×50×10^3×0.58)=9.85T 为避免低频时饱和,取Np=15T

八、计算次级绕组匝数Ns
Ns=(+VGE+VDF+RG Isrms)Np/(Vin-Vces)注:这里的Vces为初级驱动图腾三极管的饱和压降,如果采用MOS图腾,则为0.
Ns=(15+0.55+10×1.56)×12/(24-0)=19.5T 此处取20T

九、计算脉冲变压器初级电流有效值Iprms
Iprms=(Ns/Np)Isrms=(20/15)×1.56=2.08A

十、计算电流密度J
J=KjApX=433×0.58-0.17=475A/cm2
取J=4.5A/mm2

十一、计算脉冲变压器初级、次级绕组线径dp、ds及截面积Sp、Ss
dp=1.13(Iprms/J)0.5=0.77mm
Sp=0.785dp2=0.465mm2

ds=1.13(Isrms/J)0.5=0.67mm
Ss=0.785dp2=0.352mm2

十二、线材的选择
为减小高频电流趋肤效应对铜芯有效截面积的损耗,这里选用涤纶外层包裹的0.1mm多股漆包线绕制,单芯截面积为0.00785mm2,那么初级线圈应选用(0.465/0.00785)=59股,这里取60股的绞合线;次级线圈应选用(0.352/0.00785)=44.8股,这里取40或50股的绞合线。

至此,一个符合规格的GDT已设计完成。

最后,再谈一谈脉冲变压器容易出现的一些问题。一是边沿振铃,这个现象主要是因为变压器绕制工艺造成的漏感,以及PCB布线的等效电感与容性负载发生高频高频阻尼谐振而产生;二是边沿过冲,主要是由于变压器漏感在快速关断的情况下,电流不连续导致的瞬间自感高压。因此对于脉冲变压器应该尽量减小漏感的存在,可以采取以下几种方法。
一、采用高磁导率的磁芯,例如锰锌铁氧体,镍锌铁氧体(1M以上适用),磁导率越高,匝数恒定的情况下,可以获得更高的励磁电感Lm,能有效减小信号的平顶斜降;
二、采用磁路闭合程度高的磁芯结构,例如G型磁罐、磁环等,磁路闭合好,不仅可以屏蔽自身对外界的干扰和外界对自身的干扰,还能有效地减小漏感,从而减小过冲和振铃。
三、初、次级线圈应并绕,尽量减小分布电容
四、脉冲变压器的输出引线应尽量缩短,一般少于10mm。而且同一绕组的两根输出引线应该尽量靠近或双绞引出磁芯。
五、连接脉冲变压器的PCB走线应尽量短,PCB走线不应该靠近磁芯部分,避免生成1T电感。
六、根据脉冲变压器的传输特性,可知信号传输过程中的平顶斜降为△=(Ton/Lm)(RL″)×100%,Ton为高电平持续时间,Lm为初级励磁电感(次级开路时初级的电感量),RL″为次级负载等效到初级后的阻抗与驱动图腾输出阻抗的并联值。由此可知,减小驱动电路的内阻(将三极管图腾换为MOS图腾)和增加初级绕组匝数能有效减小平顶斜降。
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