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也谈驱动电路及驱动变压器的设计
hanbreen 2012-9-20 15:56:40
本帖主要针对https://www.kechuang.org/t/50374(下称帖1),
https://www.kechuang.org/t/50579(下称帖2)这2帖编写。
在帖1中,ehco大师主张驱动变压器的输出电流和功率要按驱动峰值电流和峰值功率设计,从而驱动变压器会很大,而且在帖2中列出了他所做的一套驱动的具体数据。本帖主张驱动变压器可以按输出平均电流和平均功率来设计,大家都知道驱动变压器的负载是电容性负载,而驱动变压器输出的是方波,驱动变压器的输出平均电流和平均功率非常小,所以驱动变压器可以做的非常小。
为此,本人专门做了一套驱动电路,和帖2中ehco兄的驱动做了详细的对比,以此来验证我的观点的正确性。
我的驱动变压器的磁芯是内径4.5mm外径9mm高6.5mm的铁氧体磁环,初级0.25mm漆包线15圈,次级0.25mm漆包线24圈,下面有我的驱动变压器的图片,从图片中可以看出整个变压器的直径只有9.5 mm。ehco兄的驱动变压器是罐形铁氧体,尺寸和绕组参数不详,但从图片来看体积不小于我的50倍!为了做准确的比较,驱动电压我做的和他的一样,正15V负8V。
负载 ehco兄的是场效应管2MI50F050,此管是500V50A的场效应管,GS电容典型值7.8纳法
我实验两大小两种负载,大负载是IXFB100N50P场效应管,此管是500V100A的管子,GS电容典型值20纳法,是ehco实验的2.5倍。小负载本来想找和2MI50F050结电容相近的管子,但是一时找不到,就拿了一个10纳法的贴片电容,大家应该知道,场效应管的GS电容一般都有一个比较大的内阻,而贴片电容的内阻可是非常小的。驱动电路的负载电容内阻越小,Q值就越高,越容易振荡,而要抑制振荡就要串联比较的大驱动电阻,串联的电阻大了在负载电容上得到的上升和下降时间就会比较长,也就是说电容内阻越小越难驱动。
驱动波形图在下面,和ehco一样,我也实验了两种频率:40K和100K,我在图中详细标注了两种频率和负载下的上升和下降时间。
图中我也详细标注了各种频率和负载时的电源消耗。
图中还有一个详细的对比列表,由于ehco兄的电源消耗是相对于全桥的,我做的实验是单管的,所以列表中我的电源消耗都是按图中标注的4倍来标注。
以下是我的电路原理图,波形图,耗电和对比列表图。
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从图和列表中可以看出,我的驱动在大负载时的驱动速度也超越ehco兄的,在小负载时虽然负载还是略大于ehco的,但驱动速度还是远超ehco兄,上升速度接近他的5倍!下降时间由于都用了外部电路加快关断,而不是靠驱动变压器来关断,所以下降时间差别不是很大,但还是快了不少。
再看耗电,ehco兄只标了24V820mA,不知是什么频率下的结果,所以就当是负载最重也就是100KHZ时的结果,从列表中看我的100KHZ/10nF 时的耗电是15.8V/195mA,电源消耗只是ehco的六分之一!
从图中的详细数据及列表可以看出,我的体积是他的几十分之一,速度将近5倍,耗电只有六分之一,综合起来看性能对比是多么的明显。由此看来,驱动性能并不是取决于多大的电流及功率余量,那么驱动性能有那些因素决定呢?——主要取决于驱动电路的峰值输出电流能力和驱动变压器的漏感,尤其以变压器的漏感最为重要。
我的原理图中栅极串联电阻最小是4.7欧,相对于此时的驱动峰值电流也就是5A而已,并不是很大,我只用了一个SO-8封装的贴片驱动IC,体积很小。但是变压器的漏感在这里就很关键了,这里我并没有给出变压器的漏感参数,测变压器的漏感意义并不大,因为漏感很难准确测量,测试频率不同,测量结果也不一样,测试时接触的好坏也影响测量结果。就算能准确测量,漏感一样的变压器,实际性能也不一定一样,甚至相差很远。决定变压器性能的是漏感占总电感的比列,漏感占总电感点比例越小,驱动性能越好。而什么又是决定变压器漏感的主要原因呢?——变压器的绕法!变压器的初次级平均距离越近,漏感越小。怎样减小初次级的距离?——减小线圈总厚度!怎样减小线圈的厚度?——线圈层数尽量少。层数少了绕不够圈数怎么办?——选窗口宽的磁芯。什么样的磁芯窗口宽?——环形磁芯。我的变压器就是用内径4.5mm外径9mm高6.5mm的铁氧体磁环做的,初级0.25mm漆包线15圈,次级0.25mm漆包线24圈都在同一层绕完,这样做出来的变压器漏感是最小的。还有很重要的一点是要在磁芯不饱和的前提下尽量减少圈数,当然磁通密度要留一定的余量,一般0.3特斯拉左右即可。
再来看ehco的驱动上升时间为何不理想,在这里我不想讨论除了驱动变压器以外的电路(ehco的外围电路比较复杂,不能乱加分析,我不知道他为何用如此复杂的电路),单从变压器上来分析。他用的是体积很大的罐形磁芯,而且从图中可以看出,线圈也基本上绕满了整个磁芯,初次级距离根本小不了,这样的绕法就算用三明治绕法,漏感也不会有多小,所以他的驱动上升时间达到了700多纳秒,100KHZ频率下这样的驱动速度,不要说硬开关,就是软开关都嫌慢。
最后分析一下,ehco兄的驱动为何如此耗电。和上面一样,我不想讨论他的外围电路(他自己也说了,某些元件温度有80度,而我的电路基本上没什么发热)。还是主要从变压器方面分析,大家应该要知道,铁氧体的损耗在频率和占空比都决定了的情况下,和体积是成正比的,从图中可以比较明显地看出,他的磁芯体积最少是我的50倍!这就好比用一辆大卡车来拉一辆小三轮车都拉得动的东西,能不耗油吗?初步估算一下,他的24V/820mA将近20W的功耗,光是变压器的损耗,应该就占百分之70——80,外围电路的损耗占百分之15——25,实际场效应管结电容上吸收到的能量最多也就百分之5.
+1  学术分    ehco   2012-09-28   谈到了许多精髓的东西
+30  科创币    猎鹰   2012-09-20   高质量发帖
+170  科创币    奇侠   2012-09-20   对此表示严重关注中,希望LZ能弄一些与ehco相似的管子
+50  科创币    量子隧道   2012-09-21   鼓励实验精神。我的评论见跟贴。
+200  科创币    xj198398xujing   2012-09-21   高质量发帖
+50  科创币    清纯小萝莉   2012-09-29   
+40  科创币    celeron533   2012-10-10   高质量发帖
2012-9-20 18:45:14
1楼
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这么细致的对此分析怎么没人看啊,我看有道理!
2楼
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外交部表示严密关注事态发展![s:274]
+1  科创币    yanli12321   2012-09-20   yanli12321表示严重关注事态发展......
3楼
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占楼先~哈哈
4楼
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yanli12321表示严重关注事态发展......
5楼
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回 楼主(hanbreen) 的帖子
(初级0.25mm漆包线15圈,次级0.25mm漆包线24圈都在同一层绕完) 假如要求隔离电压较高1700V以上怎么单层有没有问题?磁芯选择,初次级匝数计算,驱动峰值电流怎样确定,公式?????
6楼
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我有我的看法:先不说上升时间和变压器体积的问题,就说驱动发热和功耗大,貌似ehoe的驱动是用MOS图腾驱动变压器的,MOS图腾的话有个缺点,就是频率过高会导致两管共态导通,从而加大发热和功耗,之前搞的一个TL494 D类功放,开关频率超过200KHz,输出是IRF540/9540图腾,静态管温也达到50度!如果频率降到100KHz以内,就不热了~~
+1  科创币    坚持and突破   2012-09-21   结论就是图腾不如专用IC好......
hanbreen(作者)
7楼
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回 5楼(飘飘飘) 的帖子
磁环内径4.5mm,能不能绕完39圈很容易算出来吧。普通漆包线的漆皮耐压能达到500V以上,初次级就能达到1000V以上。如果要求更高耐压,可以用三层绝缘线,一层耐压可达三四千伏,初次级可以承受近万伏的耐压,绝缘要求再高的场合也足够了。只是三层绝缘线外径略大,做出的变压器会稍大一点,但是可以选更细的。
    要选择磁芯,先决定导线粗细。驱动的平均功率我在顶楼中提到的帖1中的第11楼已经说了,按平均功率算出平均电流,线的粗细可按10——15安每平方毫米来选。结果你会发现,线会非常细,细到你拿不住而没法绕,所以只能选自己觉得好绕的比较粗的线,但是要尽量细,因为细了才好在一层内绕完。根据线的粗细来选择要多大的磁环,精确选择可以这样:先估计选一个磁芯,以0.3特斯拉左右的磁通密度来计算,看能不能绕下或则有太大的富余量,绕不下或富余量太大都不行,要酌情放大或减小,最好能刚好绕下。如果没有刚好够的磁芯,线的粗细也可以适当更改,一般经过几次计算,就可以算的比较准确了,当然这一步的前提是你要有一套磁芯规格表。现奉上一份常用磁芯规格表:
NCD磁芯.pdf3.22M29次
+10  科创币    坚持and突破   2012-09-21   好资料!
hanbreen(作者)
8楼
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回 6楼(jxs) 的帖子
这种上P管下N管的图腾确实会有共通的问题,共通的时间处于输入电平介于高电平和低电平之间的时候,输入波形上升和下降沿越缓共通越严重,如果图腾供电12V,输入电平保持在6V的话,图腾管子会烧毁。解决共通的办法是选择Vgs(th)高的管子(高于一半电源电压),但是绝大多数的管子都达不到这个要求。
9楼
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这个ISL89163貌似很强大,
10楼
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鼓励hanbreen的实验精神。
这里提醒楼主,请注意要在MOS的D级加上与实际应用场景相近的负载。这样测的的G极波形和功耗才准确。
在MOS导通过程中(此过程只占Vgs上升沿中的一小部分),Vds下降,通过密勒电容强力下压G级电压。由于D极电压摆动幅度往往很大,远大于G极摆幅。
所以GD间的密勒电容被等效放大很多倍。很多时候远远大于Cgs。
而你若D极不加负载的话,其实是只驱动了Cgs,没有驱动Cgd。
所以你应该把D极加上与应用场景一样的负载再测试。
+10  科创币    坚持and突破   2012-09-21   原来如此!
11楼
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回 楼主(hanbreen) 的帖子
楼主能说下计算过程么?我准备做个1拖4的IGBT全桥驱动(40N60单管),24V供电,频率50K左右,谢谢先
hanbreen(作者)
12楼
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回 10楼(量子隧道) 的帖子
弥勒效应我知道,但是对于一个简单的实验来说,高压是不敢随便乱加的,我做这个实验只是为了和ehco兄的作一个对比,因为ehco兄的波形也是在未加高压的时候测到的。
hanbreen(作者)
13楼
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回 11楼(gb505329191) 的帖子
先按我上面说的方法算出驱动平均电流,在算出要多粗的线,一般可以省略这一步,直接选一个你认为好绕而又很细的线,然后随便选一个你现有的磁芯(比如EE16),优先选用环形的,很小的就可以根据磁芯截面积和磁通密度算出圈数。磁通密度等于每一圈电压乘以通电时间,再除以截面积。按我上面给出的原理图举个利兹:比如你的50KHZ,占空比百分之50,驱动输入电压24V,初级24圈,因为有隔直电容,所以初级上得到的单向幅值是12V,每圈就是0.5V,通电时间是20微秒除以二,0.5伏乘以10微秒,磁通量就是5微韦伯,假如截面积是20平方mm,磁通密度就是0.25特斯拉,一般驱动变压器磁通密度用到0.3特斯拉是比较合适的,再大一点也没问题,但是不要太小,太小了圈数多,漏感就大。。
hanbreen(作者)
14楼
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回 9楼(woowoowoowo) 的帖子
ISL89163就是一个很普通的6A驱动器而已,谈不上多强大。
15楼
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看了LZ的贴解答了我的好多疑问 有点胜读10年书的感觉
希望LZ能在给大家深入的解答一下GDT的相关
比如如何用计算来确定磁变的相关参数 以及您的一些设计经验
还有磁变的外围电路 如何用最简化的电路实现最好的驱动 等等
hanbreen(作者)
16楼
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回 15楼(xj198398xujing) 的帖子
驱动变压器计算我在13楼说得比较详细,设计经验就不好说了,就是多动手,多做实验。外围电路太多了,推荐用我在顶楼给的原理图,简单,而且能提供负压,上面有个稳压管,改变稳压值就能改变负压值。负压加正压就是变压器次级输出幅值。最后再强调一下上面已经提到过的一点:驱动变压器最关键的一点是漏感要小,要减小漏感就要减小线包厚度,能在一层内绕完初次级的所有线圈是最好的。而且初次级圈数相等是漏感最小,如果初次级圈数不等,也要让初次级都能均匀分布在整个窗口上。也就是说初级或者次级紧密排绕一层绕不满整个窗口,就要均匀分开绕,让初级和次级整个绕组刚好能排满整个窗口。实际不一定非要只绕一层,只要均匀排满整个窗口,就算初次级各占一层,漏感也不会太大,一般驱动也够用了,除非对驱动速度要求极高。
17楼
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回 16楼(hanbreen) 的帖子
请教


为什么要+15 -8  ?  +15 -15会损害MOS吗?



好吧,我没有仔细看贴子。问题解决了!
18楼
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[s:274]  [s:274]  [s:274]  [s:274]
2012-9-24 21:11:10
19楼
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虽然没看懂,但喜欢这种探讨研究进步的气氛!
20楼
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这么好的帖子别沉了,佩服楼主的认真劲,分析有理有据,学习了!
2012-9-27 23:32:51
21楼
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回 楼主(hanbreen) 的帖子
其实很喜欢LZ这种较劲,仿佛又回到了07年阶段KC的感觉。
1.由于长期在部队养成了较差的大兵气息,我对我之前帖子里有攻击性或影射性的词汇全部收回,同时对hanbreen同志衷心致歉。
2.一周以来,一直张罗俺的婚事,偶尔上来看看,发现LZ帖子确实有理有据,图文并茂,并提及许多关键点,可谓受益匪浅。
3.既然是KC人,允许有不同意见,并鼓励对各持的意见进行理据证明。当然,我也会证明我的观点。
4.真心希望hanbreen同志不计前嫌,交个朋友,更希望能分享更多的经验和心得,造福KC,乃至国内电子界。
顺祝中秋节快乐
此致
    军礼!
+20  科创币    清纯小萝莉   2012-09-27   军礼。。。。。。要求外加图片配合。
22楼
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说大一点,说到抵-制-日-货这事
有人说到国外停止向国内输送技术后,中国电子业会倒退几十年,我想,根源上就是缺乏LZ这样的人,缺乏KC这种氛围。
作为坛龄还算长的我深感愧疚自责啊。再次道歉!望接纳以抚我心。
+34  科创币    猎鹰   2012-09-27   为什么加分?。。。。。。你猜了
23楼
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但是,对于调节驱动上升时间和功耗等,我有一系列的方法,但是原则不相悖。十一以后再献上。
hanbreen(作者)
24楼
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回 21楼(ehco) 的帖子
首先祝你新婚快乐。
既然是争论,当然免不了为呈一时口舌之快而口不择言,我承认我也有言辞不当之处,也请原谅。
都是来讨论技术的,当然不会计什么前嫌,能交上朋友当然最好,彼此互相学习。
最后祝中秋、国庆快乐!
+47  科创币    猎鹰   2012-09-28   
25楼
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圆满结局,皆大欢喜!中愁国庆双节快乐!
26楼
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回 25楼(坚持and突破) 的帖子
这么好的系列讨论,强烈希望最后来个总结贴,什么时候要强驱,什么时候要弱驱,不同情况下需要多强的驱动,来个曲线,这样我们就可以对这个专题来个圆满总结了。
hanbreen(作者)
27楼
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回 26楼(量子隧道) 的帖子
硬开关而且频率较高时驱动速度要快,因为驱动速度越慢,每个周期损耗越大,再乘以频率,效率就会越低。但是在高电压大峰值电流时(比如反激电源),管子开关速度太快的话,会产生很强的干扰,我曾经调试过一款电源,由于驱动栅极电阻用小了导致开关速度过快,产生的干扰甚至导致PWM芯片不能正常工作,把驱动电阻加大后问题就解决了。一般低压开关电源如DC-DC,驱动可以快一些,电压低产生的干扰比较小。但是快到一定程度后,再加快驱动速度对效率提升的作用就不大了,但是对驱动电路的要求就会高很多,得不偿失。至于什么情况下要多强的驱动就很难有定论了。
2012-10-8 10:52:16
28楼
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感觉这样的讨论才是“论坛”。[s:222]
2012-10-9 14:47:07
29楼
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我只有学习学习再学习[s:275]

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