8 věcí, které je třeba zvážit před navržením transformátoru Gate Drive.

Při návrhu optimalizovaného transformátoru pro pohon hradla (GDT) je třeba vzít v úvahu několik důležitých faktorů. Tento článek se zabývá několika aspekty návrhu GDT a ideálními aplikacemi pro jejich použití.

Dvěma kritickými součástmi, které je třeba kontrolovat při návrhu transformátoru s pohonem brány, jsou svodová indukčnost a rozložená kapacita. Vysoká svodová indukčnost a rozložená kapacita mohou způsobit nežádoucí výstupní signál, jako je fázový posun, chyba časování, šum nebo překmit.

1. Svodová indukčnost

Řídicí transformátory brány mají velmi nízký průměrný výkon, ale dodávají vysoké špičkové proudy při zapnutí a vypnutí. Aby nedocházelo k časovému zpoždění na cestě pohonu hradla, je nutná nízká svodová indukčnost. GDT musí mít dobrou vazbu mezi primárem a sekundárem. Špatná vazba povede k tomu, že izolované výkonové spínače budou spínat pomaleji než výkonové spínače na uzemněné/spodní straně a také může dojít ke zničení výkonových spínačů.

2. Rozdělená kapacita

Na stránkách rozložená kapacita transformátorů pohonu hradla by měly být nízké, aby se zabránilo velkým proudům ve společném módu, které by tekly na společné svorce zařízení (zdroj/emitor). Vyšší kapacita vzniká, když má vinutí mnoho závitů, malou tloušťku izolace a závity nejsou při navíjení rovnoměrně položeny.

3. Materiál jádra

Výběr vhodného jádra je důležitý pro dosažení optimálního výkonu GDT/pulsního transformátoru. Obecně platí, že nejlepší jsou materiály, které nabízejí vysokou permeabilitu, velké hodnoty B_SAT a nízké ztráty při spínací frekvenci až desetinásobné. Vysoká permeabilita zajišťuje požadovanou magnetizační indukčnost při použití nejmenšího počtu závitů. Menší počet závitů s jednovrstvým vinutím pomáhá zaručit nízkou svodovou indukčnost, rozloženou kapacitu a odpor vinutí.

4. Vzduchová mezera

Není nutná žádná vzduchová mezera. Vzduchová mezera v magnetické dráze snižuje permeabilitu materiálu jádra. Tím vzniká potřeba většího počtu závitů, což má za následek špatnou vazbu, která vede k úniku toku mimo jádro. Zajistěte také, aby ve vinutí nebyl stejnosměrný proud, který by mohl způsobit saturaci.

5. Velikost jádra

Obecně volte toroidní jádro s dostatečně velkým průměrem, aby se do jedné vrstvy vešel požadovaný počet závitů. Pro nižší frekvence se obvykle používají větší jádra, aby se dosáhlo dostatečné magnetizační indukčnosti s menším počtem závitů. Také vnitřní průměr toroidu by neměl být nadměrný (což vede k vyšší svodové indukčnosti).

6. Umístění vinutí

Neoddělujte primární a sekundární vinutí kolem toroidního jádra ani nenavíjejte všechny závity kolem malé části obvodu toroidu (vytváření sektorů). Odstupy mezi primární a sekundární cívkou způsobují relativně špatnou magnetickou vazbu a zvyšují svodovou indukčnost. Proto by se měly používat techniky prokládaného vinutí (např. bifilární/trifilární) a vinutí by měla být rovnoměrně rozložena kolem jádra.

Místo toho, abyste mezi závity nechávali dodatečný prostor, použijte co nejsilnější izolaci drátu, která umožní co nejvíce zmenšit prostor mezi závity vinutí kolem toroidního kroužku.

Pokud je použit netoroidní tvar jádra (např. E-I/E-E/ETD), primární a sekundární vinutí by mělo být soustředné a na středním rameni jádra. Také primární vinutí by mělo být nejblíže středu a sekundární vinutí by mělo být navinuto nad vrcholem primárního vinutí.

Pokud jsou horní a dolní spínací zařízení v můstku poháněna z jednoho GDT, mělo by být sekundární vinutí, které se používá k pohonu dolního spínacího zařízení, vedle primárního. Sekundární vinutí, které se používá k pohonu horního spínacího zařízení, by mělo být nejvzdálenější od jádra. V takovém případě působí sekundární vinutí připojené ke spodnímu spínacímu zařízení jako elektrostatické stínění mezi vysokým dv/dt přítomným na horním spínači a primárem. Rychlé přechodové jevy jsou kapacitně bezpečně spojeny se zemí přes spodní zařízení, místo aby byly spojeny zpět s citlivými obvody pohonu.

7. Vyhnutí se nasycení jádra

Průměrné napětí na vinutí transformátoru musí být po určitou dobu nulové. I malá stejnosměrná složka může způsobit “flux walk” a případné nasycení jádra. Aby se zabránilo saturaci, musí být magnetizační indukčnost (primární indukčnost) transformátoru vysoká, aby se udržel nízký magnetizační proud. S rostoucí magnetizační indukčností však obvykle roste unikající indukčnost, proto primární indukčnost příliš nezvyšujte.

Nasycení jádra omezuje aplikovaný součin napětí a času (V*T) na vinutí. Konstrukce transformátoru musí počítat s maximálním součinem napětí a času za všech provozních podmínek, které musí zahrnovat nejhorší přechodné jevy s maximálním pracovním poměrem a současně s maximálním vstupním napětím. Musí být zajištěna přiměřená rezerva mezi špičkovou hustotou toku v nejhorším případě a hustotou toku v nasycení (~1:3).

Pokud je zvolen provoz v některém z kvadrantů smyčky B-H, je třeba dbát na resetování jádra. Značná část spínací periody by mohla být vyhrazena pro resetování jádra hlavního výkonového transformátoru v jednostranných aplikacích (pracujících pouze v prvním kvadrantu roviny B-H), jako je například přímý měnič. Časový interval resetování omezuje provozní pracovní poměr transformátoru. To je zřídkakdy problém i v konstrukcích s jednostranným pohonem hradla, protože transformátory pracují s obousměrnou magnetizací.

8. Dielektrická izolace

Dielektrická izolace transformátoru by měla být schopna odolat alespoň dvojnásobku vstupního napětí. U plovoucího pohonu s vazbou na zem dodržujte izolaci 500 V, pokud existuje předregulovaný PFC 400 V.

Při požadavcích na izolaci vyšší než 3 KV je nutné použít vodič s trojitou izolací.

Obecné vlastnosti transformátoru pohonu brány

Výhody

• V transformátoru neexistuje žádné zpoždění šíření signálu z primární strany na sekundární stranu.
• Správnou konstrukcí lze mezi vinutími vytvořit izolaci o napětí několika tisíc voltů.
• Samostatný izolovaný zdroj napájení není potřeba.
• Díky použití moderních jader s vysokou propustností jsou nyní k dispozici malé GDT, které splňují nejpřísnější konstrukční specifikace.
• V závislosti na požadovaném proudu a napětí pohonu poskytuje možnost zvýšení/snížení napětí. 
• GDT jsou vysoce účinné.
• GDT zajišťují galvanické oddělení (mezi řídicím obvodem a obvody výkonové elektroniky) a impedanční přizpůsobení.

Nevýhody

• Pohonné transformátory brány nejsou vhodné pro stejnosměrný proud a lze je použít pouze pro střídavé signály (časově proměnné signály).
• Velké pracovní poměry (více než 50%) nemůže transformátor zvládnout bez nasycení (kvůli tomu, že transformátory pracují pouze se střídavými signály - tok jádra se musí resetovat každý půlcyklus, aby se zachovala rovnováha voltů a sekund), pokud nejsou použity střídavé vazební kondenzátory a Zenerovy diody. Tím se však zvětšuje velikost konstrukční desky a parazitních součástek, což zase zvyšuje výkonové ztráty v řídicím obvodu.
• Transformátor se při nízkých frekvencích nasytí, proto jej lze použít pouze pro vysoké frekvence.
• Kvůli magnetické vazbě, zkreslení signálu, omezení pracovního cyklu a větším rozměrům jsou GDT nežádoucí pro aplikace synchronního usměrňování s vysokým výkonem a vysokou hustotou.
• Je obtížné zavést ochranu proti přetížení/zkratu pro horní napájecí zařízení.
• GDT nejsou vhodné pro normálně zapnutá zařízení.
• Primár transformátoru musí být pro vysoký výkon řízen vysokorychlostním bufferem, což je pro dobrou šířku pásma složité a nákladné.
• Transformátory navržené pro nízkou vazební kapacitu mají vysokou svodovou indukčnost, která omezuje rychlost posuvu PWM.
• Velký transformátor má vysokou vazební kapacitu, která způsobuje vysoké cirkulační proudy z dv/dt napříč transformátorem.
• Transformátor vyžaduje speciální konstrukci, aby splňoval bezpečnostní normy pro izolaci.
• Transformátor se musí mezi impulsy resetovat, proto je třeba zohlednit limity šířky impulsu a limity resetovacího napětí.

Aplikace

• Solární střídače
• Převodník pro větrnou turbínu
• Servopohony s vysokými spínacími frekvencemi pro vysokorychlostní řízení
• Spínané napájecí zdroje (SMPS)
• Svařovací zařízení
• Zdroje nepřerušovaného napájení (UPS)
• Řídicí systémy motorů
• Elektrická vozidla a hybridní elektrická vozidla
• Průmyslové nabíječky baterií
• Zdravotnické prostředky

Závěr

Nyní, když jste zvážili tyto různé faktory, můžete začít navrhovat. V posledním článku našeho seriálu o GDT je popsáno 12krokový postup pro navrhování transformátorů pohonu hradla