Управление полевыми транзисторами через трансформатор

Трансформатор управления затворами (GDT, Gate Drive Transformer) используется во всевозможных преобразователях напряжения и предназначен для гальванической изоляции управляющей схемы и силового ключа.

Эта статья поможет вам рассчитать такой трансформатор для вашей схемы.

Функции GDT:

Конкуренты GDT и их недостатки.

Недостатки GDT

Какие у бывают характеристики у GDT?

Индуктивность – измеряется в генри (Гн) и квадратично зависит от количества витков на GDT.

Чем меньше индуктивность, тем больше ток намагничивания, но меньше индуктивность рассеяния. Если индуктивность сделать слишком маленькой (ток намагничивания слишком большой), то сердечник насытится. На прямую индуктивность GDT практически никогда не используют в расчетах.

Индукция насыщения — это максимальная величина магнитного поля которую еще может выдержать сердечник. Измеряется в теслах (Тл).

Когда сердечник насыщается, выходное напряжение больше не зависит от входного, а со стороны первичной обмотки происходит “короткое замыкание” – обмотка GDT перестает сопротивляться току. Выходные драйвера начинают работать на короткое замыкание, а это может вывести их из строя. За драйверами, оставшись без контроля, из строя может выйти и вся остальная конструкция.

Типичная величина индукции насыщения феррита — 300мТл

Обычно, индукцию насыщения напрямую связывают только с током намагничивания который протекает в первичной обмотке GDT, однако для трансформаторов тесла все не так просто. Индукция поля, которую создает первичная обмотка самой теслы может иметь достаточную величину, чтобы насытить находящийся недалеко от нее GDT.

Я использовал симулятор FEMM 4.2 для изучения этого вопроса. Прямоугольником обозначено сечение ГДТ, который находится прямо под первичной обмоткой DRSSTC. Обмотка высотой 10см и диаметром 28см содержит 7 витков провода, через который течет 600А

Как видно, поле от первички теслы в сердечнике довольно маленькое, но оно есть. В общем случае я рекомендую сделать запас по полю в 100мТл. GDT с таким запасом хорошо будет работать в теслах с током до 1000А

Если вы хотите просимулировать GDT своей теслы, то можете использовать мою модель как шаблон.

Программа FEMM безплатна и взять ее можно тут — femm.info

Индуктивность рассеяния – это часть индуктивности первичной обмотки, которая не связанна со вторичной обмоткой. Индуктивность рассеяния – это паразитный параметр, который нужно всеми возможными способами уменьшать. Пример того, что будет вместо красивых прямоугольников на затворах, если индуктивность рассеяния окажется слишком велика:

Индуктивность рассеяния можно уменьшить следующими методами – изменить тип намотки, уменьшить количество витков на GDT, увеличить проницаемость материала GDT.

Тип намотки. Способы намотки и коэффициенты связи обмоток приведены в таблице [1]:

Чем больше коэффициент связи, тем меньше индуктивность рассеяния и тем лучше работает GDT

Тип обмотки	Коэффициент связи	Фото
Раздельная	0.988379
Сосредоточенная	0.999456
Круговая	0.999803
Филярная ( пучком из нескольких скрученных проводов )	0.999837
Проводом в экране	0.999905

Как видно, наилучшими характеристиками обладает ГДТ, намотанный проводом в экране, однако для практического применения хватает и филярной обмотки. Также, чем плотнее обмотка прилегает к сердечнику, тем больше коэффициент связи.

Индуктивность рассеяния также можно уменьшить, уменьшив до минимума количество витков, однако, при уменьшении количества витков возрастает ток в первичной обмотке (увеличивается нагрузка на драйвер) и увеличивается индукция магнитного поля, что может привести к насыщению сердечника (при насыщении сердечника энергия перестает передаваться во вторичную обмотку).

Минимальная рабочая частота.

Минимальная рабочая частота ограниченна индукцией насыщения сердечника. Если подать на GDT частоту ниже минимальной, то сердечник насытится.

Максимальная рабочая частота.

Ограничена только индуктивностью рассеяния (которая в свою очередь зависит от материала сердечника, количества витков итп).

Как-же выбрать количество витков?

Для этого можно применить использовать простую формулу. (Формула получена подстановкой определения индуктивности в закон Фарадея)

N – количество витков, штук.
V – максимальное напряжение которое будет присутствовать на GDT на протяжении времени t, В
t – время на которое будет подано напряжение V, сек
B – индукция насыщения сердечника, Тл
Ae – сечение сердечника, м^2

Количество витков следует округлить в большую сторону. Индукцию насыщения следует выбирать с учетом близкорасположенных источников магнитных полей.

Для упрощения расчетов, в калькулятории есть соответствующий калькулятор.

Какие материалы использовать?

Лучшими параметрами для GDT обладают тороидальные сердечники, поэтому я буду обсуждать только их. Первое, что необходимо выбрать — это рабочая частота сердечника. Задавшись рабочей частотой, можно выбрать материал. Это можно сделать, посмотрев на графики зависимости проницаемости сердечника от рабочей частоты, которые производители приводят в datasheet’ах. На рабочей частоте проницаемость не должна падать меньше 1000. Чем больше проницаемость сердечника, тем меньше паразитная индуктивность (тем лучше). Пример такого графика от фирмы EPCOS:

Лучшие доступные материалы для сердечников:

Ferroxocube: 3F35, 3F4, 3F45
Epcos: N30, N45, T57, T38

На картинке ниже справа расположены сердечники из распыленного железа — из применять ни в коем случае не стоит, слева — типичные «совковые» сердечники.

Как показала недавняя практика, совковый материал 2000НМ1 вполне неплохо работает в качестве ГДТ на частоте 80кГц, используйте на здоровье!

Каким проводом мотать GDT?

Можно написать очень много слов и формул про то, как правильно рассчитать сечение провода, однако на практике, любители используют то, что доступно. Чаще всего выбор падает на провод от сетевой витой пары.

Сразу предупрежу, что изоляция этого провода, теоретически, не должна выдерживать высоковольтную высокочастотную переменку, которая обычно присутствует в тесле. Однако, я не знаю ни одной конструкции в которой этот провод подвел бы.

Счастливые обитатели стран бывшего СССР могут легко приобрести провод, который называется МГТФ – это очень хороший провод, который гарантированно выдержит ту самую высокочастотную переменку. Плюс нет вероятности, что изоляция расплавится от перегрева, как это может произойти с компьютерной витой парой.

Перед тем, как мотать GDT, советую еще прочитать

Источник

Советы по управлению затвором мощного полевого транзистора

Непосредственное управление от контроллера ШИМ

В большинство современных микросхем контроллеров встроен выходной управляющий каскад. Обычно он содержит двухтактную схему на двух транзисторах. Этот выход можно использовать для непосредственного управления затвором мощного полевого транзистора, как показано на рис. 1.

Рис. 1. Мощный ПТ управляется непосредственно от выхода контроллера ШИМ

Непосредственное подключение можно использовать в тех случаях, когда управляющая схема подключена к той же самой «земле», что и силовая часть, и уровень мощности относительно невелик.

Судя по справочным данным, ток в несколько ампер можно получить прямо с выхода контроллера ШИМ. Этого вполне достаточно для управления маломощными устройствами. Однако вход полевого транзистора имеет большую емкость. Кроме того, пытаться полностью использовать весь выходной ток контроллера, как правило, плохая идея. Это может привести к увеличению электромагнитных помех изза быстрого включения и выключения, непомерным потерям на обратное восстановление в выпрямителе и шумам в самом контроллере ШИМ. В результате могут возникать случайные сбои в работе и дрожание тактовой частоты.

Лучшее решение ограничить выходной ток контроллера ШИМ при помощи схемы, показанной на рис. 2. В ней используются два резистора: один для управления временем включения, а другой для управления временем выключения. (Обычно мы выключаем устройство быстрее, чем включаем, для защиты от коротких импульсов тока.) Диод служит для разделения этих двух функций, но в некоторых случаях, когда критично быстродействие схемы, можно обходиться без него.

Рис. 2. Схема, с помощью которой можно ограничить выходной ток контроллера ШИМ

В маломощных преобразователях мы обычно включаем ПТ медленно. Не надо бояться экспериментов с величиной сопротивления резистора Ron. Автор использует в своих проектах значения от 1 Ом до 1 кОм. Сформулированное им правило разработки заключается в том, чтобы увеличивать сопротивление, одновременно наблюдая за осциллограммами переключения и рассеиваемой мощностью ПТ. Если температура начинает заметно возрастать, нужно уменьшить величину сопротивления вдвое. Вы будете удивлены, увидев, как медленно можно включать ПТ в обратноходовом преобразователе, работающем в режиме прерывистых токов, без значительных потерь на переключение.

Выключение должно быть быстрым, чтобы обеспечить быстрый спад импульса тока. Экспериментируйте с разными значениями сопротивления, вместо того, чтобы просто использовать величины, приведенные в руководствах по применению. Более подробную информацию о том, насколько быстро можно управлять ПТ, можно найти в работе[3].

Специализированные драйверы затворов

При увеличении мощности преобразователя становится ясно, что сопротивления резисторов в затворе ПТ необходимо уменьшить, чтобы минимизировать потери на переключение. Для схем большой мощности в промышленности, как правило, используют микросхемы драйверов с большими выходными токами. При этом уменьшается влияние помех на контроллер ШИМ, и, кроме того, получается более удачная разводка печатной платы. В продаже имеется множество хороших драйверов. Можно даже создать собственный мощный двухтактный драйвер, если необходимо увеличить производительность при снижении цены. Для устройств большой мощности используют отдельную схему драйвера затвора для достижения быстрого переключения (рис. 3). Резисторы в затворе также имеются.

Рис. 3. Отдельная схема драйвера затвора для быстрого переключения

Изолированные драйверы затворов

Для получения очень высоких мощностей разработчики начинают использовать такие топологии, как двухключевой прямоходовый преобразователь, полумостовой или мостовой преобразователи. Во всех этих топологиях необходимо применять плавающий ключ.

Существуют решения этой задачи с использованием полупроводниковых компонентов, но только для низковольтных применений. Интегральные драйверы верхнего плеча не предоставляют разработчику достаточной гибкости, а также не обеспечивают такого уровня защиты, изоляции, устойчивости к переходным процессам и подавления синфазных помех, который дает хорошо спроектированный и изготовленный трансформатор для управления затвором.

На рис. 4 показан самый примитивный способ получения плавающего управления затвором. Выход микросхемы драйвера подключен через разделительный конденсатор к небольшому трансформатору (обычно тороидальному для лучшей производительности). Вторичная обмотка подключена непосредственно к затвору ПТ, и любые замедляющие резисторы должны располагаться со стороны первичной обмотки трансформатора. Обратите внимание на стабилитроны в затворе для защиты от переходных процессов. На выходе драйвера необходимо использовать ограничительные диоды, ими нельзя пренебрегать, даже если при первых испытаниях не возникли проблемы с реактивными токами в трансформаторе.

Рис. 4. Простейшая изолированная схема для управления затвором

В простейшей изолированной схеме для управления затвором используется трансформатор, как показано на рис. 4. Ограничительные диоды необходимы для защиты от реактивных токов, а разделительный конденсатор предотвращает насыщение трансформатора. Конденсатор дает сдвиг уровня выходного напряжения драйвера, который зависит от относительной длительности управляющих импульсов.

Схема, представленная на рис. 4, обеспечивает отрицательное напряжение на вторичной обмотке на интервалах времени, когда ПТ выключен. Это значительно увеличивает устойчивость к синфазным помехам, что особенно важно для мостовых схем.

Однако недостаток отрицательного смещения это уменьшение положительного напряжения, открывающего ПТ. При небольшой относительной длительности импульсов положительный импульс большой. При относительной длительности, равной 50%, половина имеющегося напряжения драйвера теряется. При большой относительной длительности положительного напряжения может не хватить для полного открывания ПТ.

Схемы с трансформаторной развязкой наиболее эффективны при относительной длительности от 0 до 50%. К счастью, именно это и нужно для прямоходовых, мостовых и полумостовых преобразователей.

Обратите внимание: на рис. 5 показано, как напряжение на разделительном конденсаторе смещается под действием низкочастотных колебаний, наложенных на выходные импульсы драйвера. Эти колебания должны тщательно подавляться для обеспечения безопасной работы. Обычно для борьбы с этим явлением увеличивают емкость конденсатора, что уменьшает Q для низкочастотных составляющих. Необходимо проверить работу схемы при всех возможных переходных процессах, особенно при старте, когда конденсатор разряжен.

Рис. 5. Колебания, возникающие в разделительном конденсаторе и влияющие на работу трансформатора

Осторожно: схема восстановления постоянной составляющей!

Иногда разработчик может столкнуться с высоковольтной схемой, в которой требуется изолированное управление затвором при относительной длительности импульсов около 100%. Раньше для таких применений рекомендовали схему, показанную на рис. 6. Но ее применение может приводить к повреждению источника питания при выключении.

Рис. 6. Высоковольтная схема с восстановлением постоянной составляющей

Диод и конденсатор на стороне вторичной обмотки восстанавливают постоянную составляющую на затворе и обеспечивают управление затвором при значениях относительной длительности до 90% и более. Однако у этой схемы есть серьезный недостаток, и использовать ее без очень тщательного анализа не рекомендуется.

Эта схема хорошо работает в установившемся режиме (рекомендуется нагрузочный резистор в затворе), но когда контроллер ШИМ выключается, разделительный конденсатор остается подключенным через трансформатор на неопределенный период времени. Это может привести к насыщению трансформатора, как показано на рис. 6б. Когда трансформатор насыщается, вторичная обмотка замыкается накоротко, и конденсатор на стороне вторичной обмотки может включить ПТ. Насыщение можно предотвратить, если использовать сердечник с зазором и конденсатор небольшой емкости, но при этом увеличится реактивный ток, необходимый для управления затвором, а это вызывает другие проблемы.

Изолированное управление затвором для мостовых преобразователей

Мостовые и полумостовые преобразователи это устройства, в которых требуется очень надежная изолированная схема управления. В то время как один из ключей закрыт, ключ на другой стороне моста будет открыт. В результате на выключенном устройстве будет присутствовать большое синфазное напряжение.

На рис. 7 показана схема, рекомендуемая для полумостового преобразователя. В ней управлять затворами должны два трансформатора. Не пытайтесь использовать только один трансформатор и схему с тремя состояниями, как советуют в некоторых руководствах по применению!

Рис. 7. Для управления затворами в полумостовых преобразователях рекомендуются два отдельных трансформатора

В мостовом преобразователе, показанном на рис. 8, также требуются два трансформатора для управления затворами. Двойные вторичные обмотки в каждом трансформаторе используются для управления парами ПТ в диагонально противоположных плечах моста. Для обоих типов мостов схемы управления затворами должны тщательно тестироваться во время переходного процесса при включении, когда возникают большие пиковые токи, и отрицательные напряжения на затворах невелики.

Рис. 8. Схема мостового преобразователя с двумя трансформаторами для повышения надежности

В схеме моста с фазовым сдвигом (рис. 9) для управления затворами также используются два трансформатора. Но обратите внимание на отличие: каждая сторона моста работает с фиксированной относительной длительностью 50%, что позволяет использовать один трансформатор с двумя вторичными обмотками противоположной полярности. Это одна из немногих схем, где можно применять биполярную схему управления затвором без снижения надежности. Но выбросы, возникающие во время переходных процессов при выключении, не должны приводить к открытию транзисторов. Обратите внимание на полярность вторичных обмоток.

Рис. 9. Мост с фазовым сдвигом с двунаправленными трансформаторами в каждом плече

Заключение

Схема управления затвором критически важная часть проекта преобразователя. Убедитесь в том, что вы используете правильную схему, и не копируйте вслепую схемы из руководства по применению. Трансформаторы в цепях управления затворами придают вашему проекту такую степень надежности, которую невозможно получить при использовании полупроводниковых решений. Если вы разрабатываете очень мощное устройство, то это важнейшая составляющая. Добавление активных элементов для того, чтобы, согласно общепринятому мнению, увеличить скорость переключения, обычно не дает улучшения общей производительности, но вносит новые возможности для потенциальных отказов. Делайте вашу схему управления затвором как можно более простой.

Источник

Управление полевыми транзисторами через трансформатор

Трансформаторы управления базой и затвором