Transformátory a obvody pohonu brány

A transformátor pohonu brány je optimalizován pro přenos obdélníkových elektrických impulsů s rychlým náběhem a sestupem pro aktivaci nebo deaktivaci spínacího zařízení.

Přestože jsou k dispozici různé řídicí obvody MOSFET/IGBT s plovoucím kanálem, pro aplikace s vysokým výkonem je z mnoha důvodů stále vhodnější použít pohon s transformátorem. Například díky většímu počtu galvanicky oddělených výstupních vinutí může jediný transformátor řídit všechny spínače v můstku a také usnadňuje řízení paralelních spínačů (MOSFET/IGBT). Má také záporné předpětí hradla, když je zařízení vypnuté, což snižuje citlivost dv/dt (nadměrná rychlost dv/dt by mohla způsobit falešné spínání nebo trvalé poškození spínacího zařízení). Kromě toho má správně navržené řešení s transformátorem zanedbatelné zpoždění a může pracovat při vyšších rozdílech potenciálů.

Transformátory pohonu brány

A transformátor pohonu brány je transformátor, který je optimalizován pro přenos obdélníkových elektrických impulsů s rychlými dobami náběhu a poklesu pro aktivaci nebo deaktivaci spínacího zařízení. Zvládá nízké výkony, ale vysoké špičkové proudy pro řízení hradla výkonového spínače. Výkony se pohybují od µW do několika KW.

Řídicí transformátor hradla zajišťuje jak napájení floatingu, tak i posunutí úrovně spínacího signálu do výkonového polovodiče, čímž se eliminuje samostatné plovoucí napájení. Lze jej použít k přímému řízení bran výkonového spínače (MOSFET/IGBT) nebo jej lze použít pouze k oddělení řídicího signálu, který se pak aplikuje na integrovaný obvod s ovladačem hradla. Kromě toho zajišťuje také impedanční přizpůsobení.

Při provozu na vysokých spínacích frekvencích (> 100 KHz) je třeba pečlivě zvážit návrh a konstrukci transformátorů pro pohon hradel s vysokou izolací, aby se zabránilo nepříznivým účinkům parazitních složek (svodová indukčnost a rozložená kapacita).

Transformátor pohonu hradla lze také nazvat pulzní transformátor, spouštěcí transformátor, širokopásmový transformátor, nebo transformátor signálu. Rozlišování je založeno především na skutečném účelu transformátoru: pokud se transformátor používá k přímému pohonu výkonového zařízení, označuje se jako brána. transformátor pohonu brány; pokud se používá pouze jako prostředek pro přenos obdélníkových napěťových signálů/impulsů na polovodičové hradlo, pak se označuje jako pulzní transformátor. Obecně však platí, že pulzní transformátor přenáší pulzní proud/napětí z primární/generační strany obvodu na sekundární/zátěžovou stranu obvodu při zachování jeho tvaru a dalších vlastností. Pokud impuls transformátoru iniciuje nějakou akci nebo událost, lze jej nazvat spouštěcí transformátor.

Transformátory mají minimálně dvě vinutí (primární a sekundární), což usnadňuje izolaci, která je důležitou vlastností. Poměr závitů mezi primárem a sekundárem také umožňuje škálování napětí, ale obvykle to není nutné.

Základní obvod

Základní obvod izolovaného pohonu hradla s transformátorem je poměrně velký. Kromě transformátoru se skládá také z přidružených resetovacích součástek, jako je blokovací kondenzátor C, primární rezistor R, rezistor hradla R_g, Zenerovy diody zády k sobě atd.

Když se na primární svorky přivede čtvercový impuls, přenese se na sekundární svorky jako čtvercová vlna nebo bude přenášený signál derivací vstupního napětí.

Blokovací kondenzátor C je umístěn v sérii s primárním vinutím transformátoru, aby poskytoval resetovací napětí (záporné předpětí) pro magnetizační indukčnost. Bez kondenzátoru by na vinutí vznikalo stejnosměrné napětí závislé na střídě (stejnosměrný posun nebo “chůze toku”) a transformátor by se nasytil. Jedná se o velmi jednoduchý obvod; amplituda jeho výstupního napětí se snižuje s rostoucím pracovním poměrem, proto tento obvod omezuje pracovní cyklus na méně než 50%. Tento přístup funguje dobře v spínaný napájecí zdroj (SMPS) obvody, kde je frekvence vysoká a poměr pracovních cyklů malý.

Napětí vazebního kondenzátoru:

Skutečné řídicí napětí hradla, V_c, se mění s pracovním poměrem. Kromě toho náhlé změny pracovního poměru vybuzují rezonanční nádrž L-C, která je tvořena L_m & C. Tuto L-C rezonanci lze tlumit rezistorem s nízkou hodnotou (R).

Hradlo je řízeno mezi -V_c a V_DRV-V_c namísto původních úrovní výstupního napětí ovladače, 0 V a V_DRV

Zenerovy diody zapojené zády k sobě se používají k omezení napětí na hradle zařízení, čímž se zabrání přepětí generovanému svodovou indukčností nespojeného transformátoru T. K zamezení přechodového rázového proudu na hradle se používá hradlový rezistor Rg.

Nasycení jádra omezuje aplikovaný součin napětí a času 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.

Maximální čas voltáže produktu:

T = doba spínání
F = pracovní frekvence
V_PEAK = Špičkové napětí pohonu
D = pracovní cyklus

Řídicí transformátor hradla je řízen proměnnou šířkou impulsu v závislosti na poměru PWM a buď konstantní, nebo proměnnou amplitudou v závislosti na konfiguraci obvodu.

Existují dva typy obvodů s transformátorem: single-ended a oboustranný.

V obou obvodech s jednoduchým a dvojitým zakončením jsou transformátory pohonu hradla provozovány v prvním i třetím kvadrantu roviny B-H.

Jednosměrné pohony brány s transformátorem

Obvody s jednostranným pohonem hradla se používají s jedním výstupním PWM regulátorem pro pohon spínače na horní straně a transformátor pohonu hradla je řízen proměnnou šířkou impulsu a proměnnou amplitudou.

Tento obvod je omezen na pracovní poměr 50%. Pro aplikace s širokým pracovním cyklem, jako jsou např. měniče buck, neposkytuje dostatečné řídicí napětí hradla, a proto je třeba na sekundární stranu transformátoru přidat obvod pro obnovení stejnosměrného proudu (kondenzátor a dioda). Napětí na vazebním kondenzátoru se zvyšuje s rostoucím pracovním poměrem a také snižuje skutečné napětí pohonu hradla (pro zapnutí) a zvyšuje záporné zkreslení (během doby vypnutí). Přidání kondenzátoru a diody do obvodu pomáhá obnovit původní amplitudu pohonu hradla na sekundární straně transformátoru.

Pohony brány s dvojitou transformátorovou vazbou

Obvody s dvojitým hradlem se používají s dvojitým výstupním PWM regulátorem k řízení 2 nebo 4 spínačů v aplikacích s vysokým výkonem, jako jsou např. polomůstkové a celomůstkové měniče a pohonný transformátor hradla je řízen proměnnou šířkou impulsu a konstantní amplitudou.

OUT_A a OUT_B jsou opačné polarity a symetrické, když OUT_A je zapnuto, přivedeno kladné napětí, když je OUT_B je zapnuto, na primární vinutí hradlového transformátoru je přivedeno napětí opačné polarity. Zprůměrování napětí na primárním vinutí pro libovolné dvě po sobě jdoucí spínací periody vede k nulovému napětí. Střídavá vazba tedy není nutná (vazební kondenzátor a tlumicí odpor nejsou na primární straně obvodu potřeba).

Závěr

Obvody s transformátorem nabízejí mnoho výhod, zejména v aplikacích s vysokým výkonem. Dále se podrobněji podíváme na žádoucí charakteristiky odezvy pulzu transformátoru pohonu hradla a parametry, které je ovlivňují.