Introduction to Gate Drivers

12 étapes pour la conception de transformateurs de commande de porte

Following these 12 steps when designing gate drive transformers will ensure a long component life and optimal performance.

The following parameters are essential for designing GDTs:

  • Plage de tension d'entrée
  • Power level
  • Ratio de rotation
  • Operating frequency
  • Cycle d'utilisation
  • Dielectric strength
  • Exigences en matière de sécurité
  • Température ambiante
  • Exigences en matière de taille

Step 1: Core Choice & Shape

The first task is to choose core size. The designer can make their preliminary core choice based upon the power requirements of the application and the frequency. Selecting an appropriate core is important to achieving optimal performance from the transformer. Ferrite or tape wound cores (with high permeability and high Bsat) are the best choice for high-frequency applications that operate in KHz ranges. The most popular shapes are toroids, pot, and RM cores, however many other shapes also work. Ungapped cores are usually preferred since inserting air gaps corresponds to decreasing the equivalent permeability of material and increase the leakage inductance.

Core size

De nombreuses variables interviennent dans l'estimation de la taille appropriée de la carotte.

  • Une façon de sélectionner le bon noyau est de se référer au guide de sélection des noyaux du fabricant.
  • The core area product (WaAc), obtenue en multipliant la surface de la section transversale du noyau par la surface de la fenêtre disponible pour l'enroulement, est largement utilisée pour une première estimation de la taille du noyau pour une application donnée.
power-output-relationship-equation

Kf = Form factor; for square wave Kf = 4
Ku = Facteur d'utilisation de la fenêtre
J = Densité de courant
Bmax = Densité de flux de fonctionnement
F = Fréquence de commutation
Po = Puissance de sortie

Step 2: Volt-Time Product (V-µSec) value

Determine the V-T value based upon the maximum allowable duty cycle and the frequency.

volt-time-product-gdt
switching-period

T = Période de commutation
F = Fréquence de fonctionnement
VPEAK = Tension d'entraînement de crête
D =Duty Cycle

Step 3: Set BPEAK & ΔB value

An appropriate margin between worst-case peak flux density and saturation flux density must be provided; usually a 1:3 margin is desirable.

Example: Saturation flux density of ferrite material

Bsat = 0.30T @ 100°C, BPEAK selected = 0.10T & = 0.20T

BPEAK = Peak flux density in steady state operation
ΔB = Peak-Peak flux density in steady state operation

Step 4: Primary Turns

Determine the minimum number of primary turns required to support the worst case (V-T) volt-time product.

primary-turns-equation-gdt

V.T = volt-time product in V-sec
ΔB = Peak to Peak flux density in Tesla

Étape 5 : Tours secondaires

Choose the secondary turns based on Turns ratio.

Turns ratio usually 1:1/1:1.5/1:2 and < 30 turns per winding is better to improve coupling. In order to minimize leakage inductance and AC winding resistance, each winding should occupy a single layer only.

Étape 6 : Inductance primaire

Calculate the required magnetizing inductance.

primary-inductance-equation

Step 7: Magnetizing current & RMS current

Calculate the required magnetizing current

magnetizing-current-equation
rms-current-equation

Step 8: Wire size

Once all the winding turns are determined, the wire size should be properly chosen to minimize the winding conduction loss and leakage inductance. The winding loss depends on the RMS current value, the length and the cross-section of the wire, and also the transformer structure. Assume current density is typically 3 ~ 6 A/mm2.

Step 9: Core loss

The operating flux density level needs to be determined to estimate the core loss. With the frequency and B level known, core loss can be estimated from the material core loss curves.

core-loss-equation

Pv = Watts / mm3
Ve = Effective volume of core mm3

Step 11: Copper loss

In a transformer, copper loss is a function of AC & DC Resistances.

copper-loss-equation

Step 12: Temperature rise

Temperature rise is important for overall circuit reliability, Estimate temperature rise.

Total loss in watts & surface area in cm2            

temp-rise-equation-gdt

Auteurs

  • profile-picture-bhuvana-madhaiyan

    Bhuvana Madhaiyan est ingénieur en conception et développement chez Talema India. Elle est titulaire d'une licence en ingénierie électrique et électronique de l'université Anna de Chennai et exerce la profession d'ingénieur depuis 2006. Bhuvana a rejoint l'équipe de Talema en 2007.

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  • sampath-palaniappan

    Sampath Palaniappan est ingénieur en conception et développement chez Talema India. Il est titulaire d'une licence en ingénierie électronique et de communication de l'Université Anna de Chennai. Sampath a rejoint l'équipe de Talema en 1994.

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Bhuvana Madhaiyan

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Bhuvana Madhaiyan est ingénieur en conception et développement chez Talema India. Elle est titulaire d'une licence en ingénierie électrique et électronique de l'université Anna de Chennai et exerce la profession d'ingénieur depuis 2006. Bhuvana a rejoint l'équipe de Talema en 2007.
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