8 Dinge, die vor dem Entwurf eines Gate Drive Transformators zu berücksichtigen sind

Bei der Entwicklung eines optimierten Gate-Drive-Transformators (GDT) müssen mehrere wichtige Faktoren berücksichtigt werden. In diesem Artikel werden verschiedene Überlegungen zum Design von GDTs sowie ideale Anwendungen für deren Einsatz erörtert.

Zwei der kritischen Komponenten, die bei der Entwicklung eines Gate-Drive-Transformators zu kontrollieren sind, sind die Streuinduktivität und verteilte Kapazität. Hohe Streuinduktivität und verteilte Kapazität können ein unerwünschtes Ausgangssignal wie Phasenverschiebung, Zeitfehler, Rauschen oder Überschwingen verursachen.

1. Streuinduktivität

Gate-Treiber-Transformatoren haben eine sehr niedrige Durchschnittsleistung, liefern aber hohe Spitzenströme beim Ein- und Ausschalten. Um Zeitverzögerungen im Gate-Treiberpfad zu vermeiden, ist eine geringe Streuinduktivität ein Muss. GDTs müssen eine gute Kopplung zwischen Primär- und Sekundärseite aufweisen. Eine schlechte Kopplung führt dazu, dass isolierte Leistungsschalter langsamer schalten als die geerdeten/niederspannungsseitigen Leistungsschalter und kann auch die Leistungsschalter zerstören.

2. Verteilte Kapazität

Die verteilte Kapazität von Gate-Treiber-Transformatoren sollte niedrig gehalten werden, um große Gleichtaktströme zu vermeiden, die am gemeinsamen Anschluss des Bauelements (Source/Emitter) fließen würden. Eine höhere Kapazität ergibt sich, wenn eine Wicklung viele Windungen und eine geringe Isolationsdicke aufweist und die Windungen während des Wickelvorgangs nicht gleichmäßig verlegt werden.

3. Kernmaterial

Die Auswahl eines geeigneten Kerns ist wichtig, um eine optimale Leistung eines GDT/Impulstransformators zu erzielen. Im Allgemeinen sind die besten Materialien diejenigen, die eine hohe Permeabilität, große Werte für B_SAT und geringe Verluste bei Schaltfrequenzen bis zum Zehnfachen. Die hohe Permeabilität sorgt für die gewünschte Magnetisierungsinduktivität bei möglichst wenigen Windungen. Weniger Windungen mit einlagiger Wicklung garantieren eine niedrige Streuinduktivität, verteilte Kapazität und einen geringen Wicklungswiderstand.

4. Luftspalt

Es ist kein Luftspalt erforderlich. Ein Luftspalt im magnetischen Pfad vermindert die Permeabilität des Kernmaterials. Dadurch wird eine größere Anzahl von Windungen benötigt, was zu einer schlechten Kopplung und damit zu Streufluss außerhalb des Kerns führt. Stellen Sie außerdem sicher, dass in den Wicklungen kein Gleichstrom fließt, der eine Sättigung verursachen könnte.

5. Kerngröße

Im Allgemeinen wird ein Ringkern mit einem Durchmesser gewählt, der groß genug ist, um die erforderliche Anzahl von Windungen in einer einzigen Lage unterzubringen. Für niedrigere Frequenzen werden in der Regel größere Kerne verwendet, um mit weniger Windungen eine ausreichende Magnetisierungsinduktivität zu erreichen. Auch der Innendurchmesser des Ringkerns sollte nicht zu groß sein (was zu einer höheren Streuinduktivität führt).

6. Platzierung der Wicklung

Trennen Sie die Primär- und Sekundärwicklung nicht um den Ringkern herum und wickeln Sie nicht alle Windungen um einen kleinen Abschnitt des Ringkerns (Erzeugung von Sektoren). Der Abstand zwischen der Primär- und der Sekundärspule führt zu einer relativ schlechten magnetischen Kopplung und erhöht die Streuinduktivität. Daher sollten verschachtelte Wicklungstechniken verwendet werden (z. B. bifilar/trifilar) und die Wicklungen sollten gleichmäßig um den Kern verteilt sein.

Anstatt zusätzlichen Raum zwischen den Windungen zu lassen, sollten Sie die dickste Drahtisolierung verwenden, die es ermöglicht, den Abstand zwischen den Windungen um den Ring herum so weit wie möglich zu verringern.

Wenn eine nicht-toroidale Kernform verwendet wird (z. B. E-I/E-E/ETD), sollten die Primär- und Sekundärwicklungen konzentrisch und auf dem mittleren Schenkel des Kerns liegen. Außerdem sollte die Primärwicklung der Mitte am nächsten sein und die Sekundärwicklung sollte über die Primärwicklung gewickelt werden.

Wenn obere und untere Schaltgeräte in einer Brücke von einem GDT angesteuert werden, sollte die Sekundärwicklung, die zur Ansteuerung des unteren Schaltgeräts verwendet wird, neben der Primärwicklung liegen. Die Sekundärwicklung, die zur Ansteuerung des oberen Schaltgeräts verwendet wird, sollte am weitesten vom Kern entfernt sein. In einem solchen Fall wirkt die Sekundärwicklung, die an das untere Schaltgerät angeschlossen ist, als elektrostatische Abschirmung zwischen dem hohen dv/dt des oberen Schalters und der Primärwicklung. Schnelle Transienten werden durch das untere Gerät kapazitiv und sicher an die Erde gekoppelt, anstatt zu den empfindlichen Antriebsschaltungen zurückgekoppelt zu werden.

7. Vermeidung von Kernsättigung

Die durchschnittliche Spannung an der Transformatorwicklung muss über einen bestimmten Zeitraum hinweg gleich Null sein. Selbst eine kleine Gleichstromkomponente kann eine “Flusswanderung” und schließlich eine Kernsättigung verursachen. Um Sättigung zu vermeiden, muss die Magnetisierungsinduktivität (Primärinduktivität) des Transformators hoch sein, um den Magnetisierungsstrom niedrig zu halten. Die Streuinduktivität nimmt jedoch normalerweise mit zunehmender Magnetisierungsinduktivität zu, so dass die Primärinduktivität nicht zu hoch gewählt werden sollte.

Die Kernsättigung begrenzt das angelegte Spannungs-Zeit-Produkt (V*T) über den Wicklungen. Die Transformatorenkonstruktion muss das maximale Spannungs-Zeit-Produkt unter allen Betriebsbedingungen vorhersehen, was auch Worst-Case-Transienten mit maximalem Tastverhältnis und maximaler Eingangsspannung einschließen muss. Es muss eine angemessene Spanne zwischen der Spitzenflussdichte im ungünstigsten Fall und der Sättigungsflussdichte vorgesehen werden (~1:3).

Wenn der Betrieb in einem beliebigen Quadranten der B-H-Schleife gewählt wird, sollte auf die Rückstellung des Kerns geachtet werden. Bei Single-Ended-Anwendungen (die nur im ersten Quadranten der B-H-Ebene arbeiten), wie z. B. dem Durchflusswandler, kann ein erheblicher Teil der Schaltzeit für das Zurücksetzen des Kerns des Hauptleistungstransformators reserviert sein. Das Zeitintervall für die Rückstellung begrenzt das Betriebsverhältnis des Transformators. Dies ist selbst bei unsymmetrischen Gate-Drive-Transformatoren selten ein Problem, da sie mit bidirektionaler Magnetisierung arbeiten.

8. Dielektrische Isolierung

Die dielektrische Isolierung des Transformators sollte mindestens dem Doppelten der Eingangsspannung standhalten. Bei einem erdbezogenen, erdfreien Antrieb ist eine Isolierung von 500 V einzuhalten, wenn eine vorgeregelte 400-V-PFC vorhanden ist.

Bei Isolationsanforderungen von mehr als 3 KV muss ein dreifach isolierter Draht verwendet werden.

Allgemeine Eigenschaften von Gate Drive-Transformatoren

Vorteile

• In einem Transformator gibt es keine Ausbreitungsverzögerung, um Signale von der Primärseite zur Sekundärseite zu übertragen.
• Durch eine geeignete Konstruktion kann eine Isolierung von mehreren tausend Volt zwischen den Wicklungen erreicht werden.
• Eine separate isolierte Stromversorgung ist nicht erforderlich.
• Unter Verwendung moderner hochpermeabler Kerne sind jetzt winzige GDTs erhältlich, die den strengsten Konstruktionsspezifikationen entsprechen.
• Je nach benötigtem Antriebsstrom und -spannung bietet er eine Aufwärts-/Abwärtsfunktion. 
• GDTs sind sehr effizient.
• GDTs sorgen für eine galvanische Trennung (zwischen dem Steuerkreis und den leistungselektronischen Schaltungen) und eine Impedanzanpassung.

Benachteiligungen

• Gate-Drive-Transformatoren sind nicht für Gleichstrom geeignet und können nur für Wechselstromsignale (zeitvariable Signale) verwendet werden.
• Große Tastverhältnisse (mehr als 50%) können vom Transformator nicht bewältigt werden, ohne in die Sättigung zu geraten (da die Transformatoren nur mit Wechselstromsignalen arbeiten - der Kernfluss muss in jedem Halbzyklus neu eingestellt werden, um ein Volt-Sekunden-Gleichgewicht aufrechtzuerhalten), es sei denn, es werden Wechselstrom-Kopplungskondensatoren und Zenerdioden eingesetzt. Dies führt jedoch zu einer Vergrößerung der Leiterplatte und zu mehr parasitären Komponenten, was wiederum die Leistungsverluste in der Treiberschaltung erhöht.
• Der Transformator sättigt bei niedrigen Frequenzen und kann daher nur für hohe Frequenzen verwendet werden.
• Aufgrund der magnetischen Kopplung, der Signalverzerrung, der Begrenzung des Tastverhältnisses und der größeren Abmessungen sind GDTs für Hochleistungs-Synchrongleichrichtungsanwendungen mit hoher Packungsdichte unerwünscht.
• Es ist schwierig, einen Überlast-/Kurzschlussschutz für das obere Leistungsgerät zu implementieren.
• GDTs sind nicht für normalerweise eingeschaltete Geräte geeignet.
• Die Primärseite des Transformators muss durch einen Hochgeschwindigkeitspuffer für hohe Leistungen angetrieben werden, was für eine gute Bandbreite komplex und kostspielig ist.
• Transformatoren, die für eine niedrige Kopplungskapazität ausgelegt sind, haben eine hohe Streuinduktivität, die die PWM-Anstiegsrate begrenzt.
• Ein großer Transformator hat eine hohe Kopplungskapazität, die hohe Zirkulationsströme von dv/dt über den Transformator verursacht.
• Der Transformator erfordert eine spezielle Konstruktion, um die Sicherheitsstandards für die Isolierung zu erfüllen.
• Der Transformator muss zwischen den Impulsen zurückgesetzt werden, daher müssen die Grenzen der Impulsbreite und der Rücksetzspannung berücksichtigt werden.

Anwendungen

• Solar-Wechselrichter
• Umrichter für Windkraftanlagen
• Servoantriebe mit hohen Schaltfrequenzen für Hochgeschwindigkeitsregelung
• Getaktete Stromversorgungen (SMPS)
• Ausrüstung zum Schweißen
• Unterbrechungsfreie Stromversorgungen (UPS)
• Motorsteuerungssysteme
• Elektrofahrzeuge und Hybridelektrofahrzeuge
• Industrielle Batterieladegeräte
• Medizinische Geräte

Schlussfolgerung

Nachdem Sie nun diese verschiedenen Faktoren berücksichtigt haben, können Sie mit der Gestaltung beginnen. Der letzte Artikel unserer GDT-Reihe skizziert eine 12-Schritte-Verfahren zur Entwicklung von Gate-Drive-Transformatoren