Plusieurs facteurs importants doivent être pris en compte lors de la conception d'un transformateur d'entraînement de grille (GDT) optimisé. Cet article aborde plusieurs considérations relatives à la conception d'un GDT, ainsi que les applications idéales pour leur utilisation.
Deux des composants critiques à contrôler lors de la conception d'un transformateur d'entraînement de porte sont les suivants inductance de fuite et capacité distribuée. Une inductance de fuite et une capacité distribuée élevées peuvent entraîner un signal de sortie indésirable, tel qu'un déphasage, une erreur de synchronisation, du bruit ou un dépassement.
1. Inductance de fuite
Les transformateurs de commande de grille gèrent une puissance moyenne très faible, mais fournissent des courants de pointe élevés à l'allumage et à l'extinction. Pour éviter les retards dans le trajet de commande de la grille, une faible inductance de fuite est indispensable. Les GDT doivent avoir un bon couplage entre le primaire et le secondaire. Un mauvais couplage conduira les interrupteurs de puissance isolés à commuter plus lentement que les interrupteurs de puissance mis à la terre/bas et peut également détruire les interrupteurs de puissance.
2. Capacité distribuée
Les capacité distribuée des transformateurs de commande de grille doit rester faible afin d'éviter les courants de mode commun importants qui circuleraient à la borne commune du dispositif (source/émetteur). Une capacité plus élevée est obtenue lorsqu'un enroulement comporte de nombreuses spires, que l'épaisseur de l'isolation est faible et que les spires ne sont pas posées uniformément au cours du processus d'enroulement.
3. Matériau de base
Le choix d'un noyau approprié est important pour obtenir des performances optimales d'un transformateur GDT/impulsion. En général, les meilleurs matériaux sont ceux qui offrent une perméabilité élevée, de grandes valeurs pour BSAT et de faibles pertes à une fréquence de commutation jusqu'à dix fois supérieure. La perméabilité élevée garantit l'inductance de magnétisation souhaitée en utilisant le moins de tours possible. Un nombre réduit de tours avec un enroulement à couche unique permet de garantir une faible inductance de fuite, une faible capacité distribuée et une faible résistance de l'enroulement.
4. Entrefer
Aucun entrefer n'est nécessaire. Un entrefer dans le trajet magnétique diminue la perméabilité du matériau du noyau. Il faut donc un plus grand nombre de spires, ce qui entraîne un mauvais couplage et donc une fuite de flux à l'extérieur du noyau. Il faut également veiller à ce qu'il n'y ait pas de courant continu dans les enroulements, ce qui pourrait provoquer une saturation.
5. Taille du noyau
En règle générale, il faut choisir un noyau toroïdal dont le diamètre est suffisamment grand pour que le nombre de spires requis puisse être logé dans une seule couche. En général, des noyaux plus gros sont utilisés pour les basses fréquences afin d'obtenir une inductance magnétisante suffisante avec moins de spires. De même, le diamètre intérieur du tore ne doit pas être excessif (ce qui entraîne une inductance de fuite plus élevée).
6. Placement de l'enroulement
Ne pas séparer les enroulements primaire et secondaire autour du noyau toroïdal ou enrouler toutes les spires autour d'une petite section de la circonférence du tore (en créant des secteurs). L'espacement entre les bobines primaire et secondaire donne un couplage magnétique relativement faible et augmente l'inductance de fuite. C'est pourquoi il convient d'utiliser des techniques d'enroulement entrelacé (par exemple, bifilaire/trifilaire) et de répartir uniformément les enroulements autour du noyau.
Plutôt que de laisser un espace supplémentaire entre les spires, utilisez l'isolation de fil la plus épaisse qui permette de réduire autant que possible l'espace entre les spires autour de l'anneau toroïdal.
Si un noyau de forme non toroïdale est utilisé (par exemple, E-I/E-E/ETD), les enroulements primaire et secondaire doivent être concentriques et se trouver sur la branche centrale du noyau. De même, le primaire doit être le plus proche du centre et le secondaire doit être enroulé sur le primaire.
Lorsque les dispositifs de commutation supérieur et inférieur d'un pont sont commandés par un seul GDT, l'enroulement secondaire utilisé pour commander le dispositif de commutation inférieur doit être placé à côté du primaire. L'enroulement secondaire utilisé pour piloter le dispositif de commutation supérieur doit être le plus à l'extérieur du noyau. Dans ce cas, l'enroulement secondaire connecté au dispositif de commutation inférieur agit comme un bouclier électrostatique entre le dv/dt élevé présent sur le commutateur supérieur et le primaire. Les transitoires rapides sont couplés de manière capacitive à la terre par le dispositif inférieur, plutôt que d'être couplés aux circuits de commande sensibles.
7. Éviter la saturation du noyau
La tension moyenne dans l'enroulement du transformateur doit être nulle pendant un certain temps. Même une petite composante de courant continu peut provoquer une “marche du flux” et une éventuelle saturation du noyau. Afin d'éviter la saturation, l'inductance magnétisante (inductance primaire) du transformateur doit être élevée pour maintenir le courant magnétisant à un faible niveau. Cependant, l'inductance de fuite augmente normalement avec l'augmentation de l'inductance magnétisante, il ne faut donc pas que l'inductance primaire soit trop élevée.
La saturation du noyau limite le produit tension-temps (V*T) appliqué aux enroulements. La conception du transformateur doit anticiper le produit tension-temps maximal dans toutes les conditions de fonctionnement, qui doivent inclure les transitoires les plus défavorables avec un rapport de service maximal et une tension d'entrée maximale en même temps. Une marge appropriée entre la densité de flux de pointe dans le pire des cas et la densité de flux de saturation doit être prévue (~1:3).
Si l'on opte pour un fonctionnement dans l'un des quadrants de la boucle B-H, il faut veiller à réinitialiser le noyau. Une partie importante de la période de commutation peut être réservée à la réinitialisation du noyau du transformateur de puissance principal dans les applications asymétriques (fonctionnant uniquement dans le premier quadrant du plan B-H) telles que le convertisseur direct. L'intervalle de temps de réinitialisation limite le taux de fonctionnement du transformateur. Ce problème se pose rarement, même dans les conceptions de transformateurs de commande de grille asymétriques, car ils fonctionnent avec une magnétisation bidirectionnelle.
8. Isolation diélectrique
L'isolation diélectrique du transformateur doit pouvoir supporter au moins deux fois la tension d'entrée. Pour un variateur flottant référencé à la terre, conserver une isolation de 500 V si un PFC préréglé de 400 V existe.
Un fil à triple isolation doit être utilisé pour les exigences d'isolation supérieures à 3 KV.
Caractéristiques générales des transformateurs de commande de porte
Avantages
- Il n'y a pas de temps de propagation dans un transformateur pour transporter les signaux du côté primaire au côté secondaire.
- Une isolation de plusieurs milliers de volts peut être réalisée entre les enroulements grâce à une conception appropriée.
- Il n'est pas nécessaire d'avoir une alimentation électrique isolée.
- En utilisant des noyaux modernes à haute perméabilité, de minuscules GDT sont désormais disponibles et répondent aux spécifications de conception les plus strictes.
- En fonction du courant et de la tension d'entraînement requis, il offre la possibilité de monter ou de descendre en puissance.
- Les GDT sont très efficaces.
- Les GDT assurent l'isolation galvanique (entre le circuit de commande et les circuits électroniques de puissance) et l'adaptation de l'impédance.
Inconvénients
- Les transformateurs de commande de porte ne conviennent pas pour le courant continu et ne peuvent être utilisés que pour les signaux alternatifs (signaux variables dans le temps).
- Les transformateurs ne peuvent pas traiter des rapports de service élevés (plus de 50%) sans être saturés (en raison du fait que les transformateurs ne fonctionnent qu'avec des signaux CA - le flux du noyau doit être réinitialisé à chaque demi-cycle afin de maintenir un équilibre volt-seconde), à moins que des condensateurs de couplage CA et des diodes Zener ne soient utilisés. Cependant, cela augmente la taille de la carte de conception et les composants parasites qui, à leur tour, augmentent les pertes de puissance dans le circuit d'attaque.
- Le transformateur sature aux basses fréquences et ne peut donc être utilisé que pour les hautes fréquences.
- En raison du couplage magnétique, de la distorsion du signal, de la limitation du rapport cyclique et de leur taille, les GDT ne sont pas souhaitables pour les applications de redressement synchrone à haute puissance et à haute densité.
- Il est difficile de mettre en œuvre une protection contre les surcharges et les courts-circuits pour le dispositif de puissance supérieur.
- Les GDT ne conviennent pas aux dispositifs normalement activés.
- Le primaire du transformateur doit être piloté par un tampon à grande vitesse pour une puissance élevée, ce qui est complexe et coûteux pour une bonne largeur de bande.
- Les transformateurs conçus pour une faible capacité de couplage ont une inductance de fuite élevée qui limite la vitesse de balayage du PWM.
- Un grand transformateur a une capacité de couplage élevée, ce qui entraîne des courants de circulation élevés de dv/dt à travers le transformateur.
- Le transformateur nécessite une construction spéciale pour répondre aux normes de sécurité en matière d'isolation.
- Le transformateur doit se réinitialiser entre les impulsions, il faut donc tenir compte des limites de largeur d'impulsion et de tension de réinitialisation.
Applications
- Onduleurs solaires
- Convertisseur pour éolienne
- Servomoteurs avec des fréquences de commutation élevées pour une commande à grande vitesse
- Alimentations à découpage (SMPS)
- Matériel de soudage
- Alimentations sans interruption (ASI)
- Systèmes de contrôle des moteurs
- Véhicules électriques et véhicules électriques hybrides
- Chargeurs de batterie industriels
- Dispositifs médicaux
Conclusion
Maintenant que vous avez pris en compte ces différents facteurs, vous êtes prêt à commencer la conception. Le dernier article de notre série sur la GDT présente une méthode de conception de la GDT. Processus en 12 étapes pour la conception de transformateurs d'entraînement de porte
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