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浅谈脉冲驱动变压器

开关电源设计中,驱动变压器常用于实现隔离、浮地、提高驱动能力等目的,是电源的重要组成部分。如果设计不好,将直接决定整个项目的成败和电源产品的质量。

开关电源设计中常用的电路拓扑:外驱BUCK、外驱BOOST、推拉、半桥、全桥、双管反激、双管正激等。这些电路拓扑中的开关管需要浮地、互补或相同的频率驱动,手头只有更传统的单输出PWM在不想增加引入新驱动芯片成本的情况下,使用驱动变压器是控制芯片的最佳选择。它不仅用作开关电源半导元件的驱动脉冲(如功率)MOSFET或IGBT),也可用于电压隔离和阻抗匹配。此外,二次侧同步整流管的驱动电路通常选择使用驱动变压器来实现其激动驱动控制。事实上,大多数开关电源和驱动变压器的主要目的是隔离和实现浮地。当上下管不共用时,IC只能直接推下管,上管必须隔离驱动。事实上,有许多特殊的隔离驱动IC,与驱动变压器相似,但这种集成隔离驱动IC一些明显的缺陷是导通关节延迟大,需要增加额外的驱动电源,设计难度大。驱动变压器不同。这种变压器耦合方式的优点是延迟很低,不需要增加额外的驱动电源,可以通过匝比设计在很高的压差下工作。与专用隔离驱动相比IC,这种变压器驱动的设计方式更多样化,可以随时调整。

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图1驱动变压器电路图

典型的脉冲驱动变压器通常由铁氧体磁心设计和制造,可以降低成本。在高频条件下,铁氧体电阻率高,涡流损耗小,价格低。它是高频变压器磁芯的首选。缺点是磁导率通常较低。大多数常用磁心的形状是EE、EER、ETD类型。它们都是型。E型磁心和相应的骨架组成。这些骨架可以通过表面安装或通孔安装来组装。在某些情况下,驱动变压器也采用环形磁心设计制造。这种优点是泄漏感很小,但磁环绕组过程比较麻烦。由于采用小磁环,必须手动绕组,成本会增加。因此,不同的用户:有的看性能,有的看价格,有的看性价比。不同的用户有不同的关注点。

驱动变压器的计算可以参考正激设计,初级匝数2016092233,一般情况下,匝比一般选择1:1。

在设计驱动变压器时,需要控制其关键电气参数中的两个参数(泄漏感应值和绕组电容量)。由于大泄漏感应值和绕组电容量可能导致相位漂移、时间误差、噪声和冲击等不符合使用要求的输出信号。理想情况下,驱动变压器不存储能量。但实际上,驱动变压器仍然存储在线圈和磁芯间隙形成的磁场区域,表现为泄漏感和磁化感。MOS管道驱动变压器的平均功率很小,但在打开和关闭时传电流。为了减少延迟,确保驱动的稳定性、安全性和可靠性,并抑制高频振荡,仍有必要保持低泄漏感。我们希望驱动变压器绕组的电容量小于100pF。布板时,尽量使驱动器靠近开关管,高频电流电路面积尽量小,控制电路尽量远离高频电路。

我们知道绕组越接近磁心表面,泄漏感越小,绕组匝数越少,越容易做到这一点;此外,磁心的电感系数越高,磁导率越高,导磁性越好,泄漏感越小。因此,大多数驱动变压器和网络变压器都是由高导率材料制成的。此外,在变压器中分布电容变压器中是两个矛盾的参数,但可以通过绕组处理。磁心材料,特别是绕组工艺,对于上升和下降的时间至关重要。

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图2驱动变压器的微等效电路图

从图2可以看出,负载等效转换与励磁电感并联。我们想要的是能量被添加到负载中,所以最好要求励磁电感是无限的,但实际上是不可能的。驱动变压器本身的功率不是很大,特别是励磁电感更大,否则励磁电流更大,那么驱动变压器的效率就很小。驱动变压器、网络变压器等属于弱信号变压器,传输功率小,信号弱,这类变压器和最熟悉的开关电源变压器差异较大,必须区别对待。这些弱信号变压器更注重变压器波形的完整性,特别注重微等效电路。信号变压器比开关电源变压器更敏感,设计和工艺要求严格。

驱动变压器的主要功能是隔离驱动,将波形传递给需要浮地驱动的波形MOSFET,如果绕制工艺设计不好,会导致波形严重失真,造成很大的干扰,影响整个产品的效率与EMC。驱动变压器的电流不大,一般不考虑皮肤趋势效应和临近效应,主要考虑耦合效应,即信号传输的不失真度和稳定性。在弱耦合状态下,绕组会产生泄漏感。当制造过程中绕组的匝数较多,绕组的匝排列不均匀时,会产生较大的绕组电容。在变压器的电气参数设计阶段和标准制造过程中,可以最大限度地减少泄漏感。然后以单端双管驱动变压器为例,讨论其绕组方法。

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图3初级-次级绕法

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图4二级包初级绕法

图3这是一种普通的初级-次级绕组方法。这种变压器绕组工艺简单,铜量少,成本低。但缺点也很明显,当传输波形频率较高时,特别是在大功率电源的驱动下,容易产生失真下沿时间较长,振荡明显。鉴于这种情况,建议使用初级、初级、三明治绕组等绕组方法进行改进,如图4、图5和图6所示。

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图5初级包次级绕法

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图6三明治绕法

如果要采用磁环绕制,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的,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。

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