因為電子設備的電路變得更為復雜,故要求成熟的電氣工程設計參數具有更加臨界的數值。在設計電路的每一個階段,精確的工程計算是基本的要求。同時,在其零部件設計時,這一點也是同樣重要的。所以,必須精心地設計開關電源(SMPS)中門脈沖驅動變壓器的每一個零部件。
門脈沖驅動變壓器在開關電源中被要求用來控制電路之間的同步動作。這些器件用來為開頭電源半導件元器件如高壓功率MOSFETs或IGBTs提供電脈沖。這種變壓器也用作電壓隔離和阻抗匹配。門脈沖驅動變壓器是用來驅動電子開關器件門電路的基本脈沖變壓器。設計這類變壓器時,是假定其脈沖的上升、下降和上沖時間都是最佳的值。使用中要辨別它們是門脈沖驅動變壓器還是其它變壓器。
在基礎門脈沖驅動變壓器設計中,存在一系列設計變數,其中的每個變數由其專項應用決定。它們的一些通用簡圖及其相應的轉換關系見圖1所示。
開關電源中的變壓器隔離驅動電路
圖2是非常常用的隔離驅動電路,其原邊類似于正激變換器中的接法,第三繞組cN和二極管cD串聯用來對原邊激磁電感的去磁,一般情況下,可選擇pcNN=,且將cN和pN雙股并繞。副邊繞組sN與二極管2D、三極管2Q及3R、4R來恢復原邊驅動信號的波形,并實現隔離,其中調節4R的大小,可以調節隔離驅動信號的驅動能力,2Q與3R的作用是保證MOSFET S1在斷開瞬間,其門源電荷上電壓的快速放電,以便提高 S1的關斷速度。5R與1ZD則是用來保護S1免受損壞的兩個元件,加5R后,可避免在控制電路還沒有工作,功率級已經加電時因S1的DG電容和GS電容所引起的 S1之誤導通及相應的損壞,其阻值可選為5K~50K;加ZD2是用來保證各種動態下S1的GS電壓不會超過其規定的最大值,以避免S1的門源損壞,其穩壓值可取18V左右。原邊的Q1既可用MOSFET,也可用三極管,電阻1R和2R的選擇比較容易,在Q1用MOSFET時,1R可取幾十到數百毆姆,2R可取幾千毆姆。
上述隔離驅動電路在pcNN=時,能隔離的驅動信號,其最大占空比要小于0.5,否則其變壓器會因為伏秒不平衡而飽和。所以這種隔離驅動電路多用在二極管去磁雙正激變換器和對稱驅動半橋變換器中。如前面所說的,隔離驅動變壓器的設計可先按原則選好鐵芯的材料和鐵芯的形狀及尺寸,然后按下面的公式計算匝數:
其中:rBBB?=?max,satBB《max,rB為剩磁,單位(Gass);cA為所選鐵芯的截面積單位2)(cm,maxD為驅動信號的最大占空比,sf驅動信號的頻率,單位為(Hz),sccV_為隔離驅動電路原邊供電電源,單位(V)。
對計算的匝數取整數,并取pcNN=,psNN=,然后在所選擇的鐵芯上按安規要求繞制這三個繞組,看看是否可以繞下,如果能夠繞下,且實驗波形沒有失真,則該隔離變壓器的設計就是成功的,否則就要選擇一個大一些的鐵芯來重新進行計算。
在隔離驅動電路#1中,如果選擇的Q1及隔離變壓器都有一定的功率的話,則隔離后的驅動信號就具有一定的功率,因此這個隔離驅動電路,既可實現信號的隔離,還可實現信號的放大。一般對較大功率開關電源中的MOSFET進行隔離驅動時,只要能提供驅動瞬間的峰值電流在(1~2)A即可,非隔離驅動中,這種瞬間功率由專用的驅動IC來實現,而在隔離驅動中,這種瞬間功率就可由上述隔離驅動電路來實現,此時不再需要驅動IC。
圖(a)是另一種隔離驅動電路,其原邊類似于不對稱半橋中的接法,副邊的電容和二極管來實現隔離后信號的恢復,當原邊和副邊匝數相同時,該隔離驅動電路在二極管D1上的波形將與隔離前的驅動信號具有完全相同的形狀,而且其幅度為Vcc_s。2R、3R、1ZD的作用與隔離驅動電路#1中對應的元件類似。這個隔離驅動電路的占空比沒有限制,其變壓器對稱地工作于B-H的I、III象限,變壓器的激磁電流平均值為零。如前面所說的,該隔離驅動變壓器的設計可先按原則選好鐵芯的材料和鐵芯的形狀及尺寸,然后按下面的公式計算匝數:
其中:satmBB《,為工作磁密幅度,單位(Gass);cA為所選鐵芯的截面積,單位2)(cm,D為驅動信號的占空比,sf驅動信號的頻率,單位為(Hz)為隔離驅動電路原邊供電電源,單位(V),顯然在5.0=D時,上式最大,所以有:
對計算的匝數取整數,并取psNN=,然后在所選擇的鐵芯上按安規要求繞制這兩個繞組,看看是否可以繞下,如果能夠繞下,且實驗波形沒有失真,則該隔離變壓器的設計就是成功的,否則就要選擇一個大一些的鐵芯來重新進行計算。從變壓器匝數計算公式可知,同樣頻率、同樣截面積的鐵芯,在隔離驅動電路#2中的變壓器匝數會遠少于隔離驅動電路#1中(昨天介紹的)的變壓器匝數,所以當處理的功率相同時,隔離驅動電路#2中的變壓器會比隔離驅動電路#1中的變壓器小。
圖(a)的隔離驅動電路,在產品的大動態過程或電源保護后再恢復工作的過程中,常會因為二極管1D的沒有及時導通,而導致其控制的MOSFET不能被可靠關斷,從而損壞主電路。
圖(b)是用一個PNP三極管3Q、一個電阻4R和一個電容3C組成的電路來代替二極管1D,以保證只要變壓器的副邊一有負電壓,三極管3Q就會立即導通,從而確保其控制的MOSFET無論在什么樣的大動態下,都能可靠關斷。