8 Cose da considerare prima di progettare un trasformatore per Gate Drive

Nella progettazione di un trasformatore di pilotaggio del gate (GDT) ottimizzato è necessario tenere conto di diversi fattori importanti. Questo articolo illustra alcune considerazioni sulla progettazione dei GDT e le applicazioni ideali per il loro utilizzo.

Due dei componenti critici da tenere sotto controllo quando si progetta un trasformatore gate-drive sono il induttanza di dispersione e capacità distribuita. Un'elevata induttanza di dispersione e una capacità distribuita possono causare un segnale di uscita indesiderato, come uno spostamento di fase, un errore di temporizzazione, un rumore o una sovraelongazione.

1. Induttanza di dispersione

I trasformatori di pilotaggio dei gate gestiscono una potenza media molto bassa, ma forniscono correnti di picco elevate all'accensione e allo spegnimento. Per evitare ritardi nel percorso di pilotaggio del gate, è indispensabile una bassa induttanza di dispersione. I GDT devono avere un buon accoppiamento tra primario e secondario. Un accoppiamento inadeguato porta gli interruttori di potenza isolati a commutare più lentamente rispetto agli interruttori di potenza a terra/lato basso e può anche distruggere gli interruttori di potenza.

2. Capacità distribuita

Il capacità distribuita dei trasformatori di pilotaggio del gate deve essere mantenuta bassa per evitare grandi correnti di modo comune che scorrerebbero sul terminale comune del dispositivo (sorgente/emettitore). Una capacità più elevata si ha quando un avvolgimento ha molte spire, un basso spessore di isolamento e le spire non sono disposte uniformemente durante il processo di avvolgimento.

3. Materiale del nucleo

La scelta di un nucleo appropriato è importante per ottenere prestazioni ottimali da un trasformatore GDT/di impulsi. In generale, i materiali migliori sono quelli che offrono un'alta permeabilità, valori elevati di B_SAT e basse perdite con una frequenza di commutazione fino a dieci volte. L'elevata permeabilità garantisce l'induttanza magnetizzante desiderata utilizzando il minor numero di spire. Il minor numero di spire e l'avvolgimento a strato singolo contribuiscono a garantire una bassa induttanza di dispersione, una capacità distribuita e una resistenza di avvolgimento.

4. Traferro

Non è necessario alcun traferro. Un traferro nel percorso magnetico riduce la permeabilità del materiale del nucleo. Ciò comporta la necessità di un numero maggiore di spire, con conseguente scarso accoppiamento e perdita di flusso all'esterno del nucleo. Inoltre, è necessario assicurarsi che negli avvolgimenti non vi sia corrente continua che potrebbe causare la saturazione.

5. Dimensione del nucleo

In generale, si sceglie un nucleo toroidale con un diametro sufficiente per inserire il numero di spire richiesto in un singolo strato. In genere, per le frequenze più basse si utilizzano nuclei più grandi per ottenere un'induttanza magnetizzante sufficiente con un numero inferiore di spire. Inoltre, il diametro interno del toroide non deve essere eccessivo (il che comporta una maggiore induttanza di dispersione).

6. Posizionamento dell'avvolgimento

Non separare l'avvolgimento primario e secondario attorno al nucleo toroidale o avvolgere tutte le spire attorno a una piccola sezione della circonferenza del toroide (creando dei settori). La spaziatura tra l'avvolgimento primario e quello secondario determina un accoppiamento magnetico relativamente scarso e aumenta l'induttanza di dispersione. Per questo motivo, è opportuno utilizzare tecniche di avvolgimento interleaved (ad esempio, bifilare/trifilare) e gli avvolgimenti devono essere distribuiti uniformemente intorno al nucleo.

Piuttosto che lasciare uno spazio extra tra le spire, utilizzare l'isolamento del filo più spesso che consenta di ridurre il più possibile lo spazio di avvolgimento tra le spire intorno all'anello del toroide.

Se si utilizza un nucleo di forma non toroidale (ad esempio, E-I/E-E/ETD), gli avvolgimenti primari e secondari devono essere concentrici e situati sulla gamba centrale del nucleo. Inoltre, il primario deve essere più vicino al centro e il secondario deve essere avvolto sopra il primario.

Quando i dispositivi di commutazione superiori e inferiori di un ponte sono pilotati da un unico GDT, l'avvolgimento secondario utilizzato per pilotare il dispositivo di commutazione inferiore deve trovarsi accanto al primario. L'avvolgimento secondario utilizzato per pilotare il dispositivo di commutazione superiore deve essere il più esterno rispetto al nucleo. In questo caso, l'avvolgimento secondario collegato al dispositivo di commutazione inferiore funge da schermo elettrostatico tra l'elevata dv/dt presente sull'interruttore superiore e il primario. I transitori veloci vengono accoppiati in modo sicuro a terra attraverso il dispositivo inferiore, invece di essere accoppiati nuovamente ai circuiti di pilotaggio sensibili.

7. Evitare la saturazione del nucleo

La tensione media sull'avvolgimento del trasformatore deve essere pari a zero per un certo periodo di tempo. Anche una piccola componente di corrente continua può causare il “flux walk” e l'eventuale saturazione del nucleo. Per evitare la saturazione, l'induttanza magnetizzante (induttanza primaria) del trasformatore deve essere elevata per mantenere bassa la corrente magnetizzante. Tuttavia, l'induttanza di dispersione normalmente aumenta con l'aumentare dell'induttanza di magnetizzazione, quindi non bisogna aumentare troppo l'induttanza primaria.

La saturazione del nucleo limita il prodotto volt-tempo (V*T) applicato agli avvolgimenti. Il progetto del trasformatore deve prevedere il prodotto volt-tempo massimo in tutte le condizioni operative, che devono includere i transitori del caso peggiore con il massimo rapporto di lavoro e la massima tensione di ingresso allo stesso tempo. È necessario prevedere un margine adeguato tra la densità di flusso di picco nel caso peggiore e la densità di flusso di saturazione (~1:3).

Se si sceglie il funzionamento in un quadrante qualsiasi del piano B-H, occorre prestare attenzione al ripristino del nucleo. Una parte significativa del periodo di commutazione potrebbe essere riservata al ripristino del nucleo del trasformatore di potenza principale nelle applicazioni single-ended (che lavorano solo nel primo quadrante del piano B-H), come il convertitore forward. L'intervallo di tempo di reset limita il rapporto di lavoro operativo del trasformatore. Questo problema è raramente presente anche nei trasformatori di pilotaggio a gate single-ended, perché funzionano con magnetizzazione bidirezionale.

8. Isolamento dielettrico

L'isolamento dielettrico del trasformatore deve essere in grado di sopportare almeno il doppio della tensione di ingresso. Per un'unità flottante con riferimento a terra, mantenere un isolamento di 500 V se esiste un PFC preregolato a 400 V.

Per requisiti di isolamento superiori a 3 KV è necessario utilizzare un cavo a triplo isolamento.

Caratteristiche generali del trasformatore di azionamento del gate

Vantaggi

• In un trasformatore non c'è ritardo di propagazione per trasportare i segnali dal lato primario al lato secondario.
• Con una progettazione adeguata è possibile creare un isolamento di diverse migliaia di volt tra gli avvolgimenti.
• Non è necessaria un'alimentazione separata e isolata.
• Utilizzando i moderni nuclei ad alta permeabilità, sono ora disponibili minuscoli GDT che soddisfano le specifiche di progettazione più rigorose.
• A seconda della corrente e della tensione di azionamento richieste, offre una funzione di step-up / step-down. 
• I GDT sono altamente efficienti.
• I GDT garantiscono l'isolamento galvanico (tra il circuito di controllo e i circuiti elettronici di potenza) e l'adattamento dell'impedenza.

Svantaggi

• I trasformatori di gate drive non sono adatti per la corrente continua e possono essere utilizzati solo per i segnali in corrente alternata (segnali variabili nel tempo).
• Il trasformatore non è in grado di gestire rapporti di lavoro elevati (più di 50%) senza essere saturato (a causa del fatto che i trasformatori funzionano solo con segnali in corrente alternata - il flusso del nucleo deve essere ripristinato ogni mezzo ciclo per mantenere l'equilibrio volt-secondo), a meno che non si utilizzino condensatori di accoppiamento in corrente alternata e diodi Zener. Tuttavia, questo aumenta le dimensioni della scheda di progetto e i componenti parassiti, che a loro volta aumentano le perdite di potenza nel circuito di pilotaggio.
• Il trasformatore si satura alle basse frequenze e quindi può essere utilizzato solo per le alte frequenze.
• A causa dell'accoppiamento magnetico, della distorsione del segnale, della limitazione del duty cycle e delle dimensioni maggiori, i GDT sono indesiderabili per le applicazioni di raddrizzamento sincrono ad alta potenza e ad alta densità.
• È difficile implementare una protezione da sovraccarico/cortocircuito per il dispositivo di potenza superiore.
• I GDT non sono adatti ai dispositivi normalmente ON.
• Il primario del trasformatore deve essere pilotato da un buffer ad alta velocità per l'alta potenza, che è complesso e costoso per ottenere una buona larghezza di banda.
• I trasformatori progettati per una bassa capacità di accoppiamento presentano un'elevata induttanza di dispersione che limita la velocità di rotazione del PWM.
• Un trasformatore di grandi dimensioni ha un'elevata capacità di accoppiamento, che causa elevate correnti di circolazione da dv/dt attraverso il trasformatore.
• Il trasformatore richiede una costruzione speciale per soddisfare gli standard di sicurezza per l'isolamento.
• Il trasformatore deve ripristinarsi tra gli impulsi, pertanto è necessario considerare i limiti di larghezza degli impulsi e di tensione di ripristino.

Applicazioni

• Inverter solari
• Convertitore per turbina eolica
• Servoazionamenti con alte frequenze di commutazione per il controllo ad alta velocità
• Alimentatori switching (SMPS)
• Apparecchiature di saldatura
• Gruppi di continuità (UPS)
• Sistemi di controllo del motore
• Veicoli elettrici e veicoli ibridi elettrici
• Caricabatterie industriali
• Dispositivi medici

Conclusione

Ora che avete considerato questi diversi fattori, siete pronti per iniziare la progettazione. L'ultimo articolo della nostra serie GDT illustra una Processo in 12 fasi per la progettazione di trasformatori per gate drive