因為電子設(shè)備的電路變得更為復(fù)雜,故要求成熟的電氣工程設(shè)計參數(shù)具有更加臨界的數(shù)值。在設(shè)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(shè)計時,這一點也是同樣重要的。所以,必須精心地設(shè)計開關(guān)電源(SMPS)中門脈沖驅(qū)動變壓器的每一個零部件。
門脈沖驅(qū)動變壓器在開關(guān)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(dǎo)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(qū)動變壓器是用來驅(qū)動電子開關(guān)器件門電路的基本脈沖變壓器。設(shè)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(qū)動變壓器還是其它變壓器。
在基礎(chǔ)門脈沖驅(qū)動變壓器設(shè)計中,存在一系列設(shè)計變數(shù),其中的每個變數(shù)由其專項應(yīng)用決定。它們的一些通用簡圖及其相應(yīng)的轉(zhuǎn)換關(guān)系見圖1所示。
開關(guān)電源中的變壓器隔離驅(qū)動電路
圖2是非常常用的隔離驅(qū)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(lián)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(fù)原邊驅(qū)動信號的波形,并實現(xiàn)隔離,其中調(diào)節(jié)4R的大小,可以調(diào)節(jié)隔離驅(qū)動信號的驅(qū)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(guān)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(jīng)加電時因S1的DG電容和GS電容所引起的 S1之誤導(dǎo)通及相應(yīng)的損壞,其阻值可選為5K~50K;加ZD2是用來保證各種動態(tài)下S1的GS電壓不會超過其規(guī)定的最大值,以避免S1的門源損壞,其穩(wěn)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(shù)百毆姆,2R可取幾千毆姆。
上述隔離驅(qū)動電路在pcNN=時,能隔離的驅(qū)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(qū)動電路多用在二極管去磁雙正激變換器和對稱驅(qū)動半橋變換器中。如前面所說的,隔離驅(qū)動變壓器的設(shè)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(shù):
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(qū)動信號的最大占空比,sf驅(qū)動信號的頻率,單位為(Hz),sccV_為隔離驅(qū)動電路原邊供電電源,單位(V)。
對計算的匝數(shù)取整數(shù),并取pcNN=,psNN=,然后在所選擇的鐵芯上按安規(guī)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(shè)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(qū)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(qū)動信號就具有一定的功率,因此這個隔離驅(qū)動電路,既可實現(xiàn)信號的隔離,還可實現(xiàn)信號的放大。一般對較大功率開關(guān)電源中的MOSFET進行隔離驅(qū)動時,只要能提供驅(qū)動瞬間的峰值電流在(1~2)A即可,非隔離驅(qū)動中,這種瞬間功率由專用的驅(qū)動IC來實現(xiàn),而在隔離驅(qū)動中,這種瞬間功率就可由上述隔離驅(qū)動電路來實現(xiàn),此時不再需要驅(qū)動IC。
圖(a)是另一種隔離驅(qū)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(xiàn)隔離后信號的恢復(fù),當原邊和副邊匝數(shù)相同時,該隔離驅(qū)動電路在二極管D1上的波形將與隔離前的驅(qū)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(qū)動電路#1中對應(yīng)的元件類似。這個隔離驅(qū)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(qū)動變壓器的設(shè)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(shù):
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(qū)動信號的占空比,sf驅(qū)動信號的頻率,單位為(Hz)為隔離驅(qū)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(shù)取整數(shù),并取psNN=,然后在所選擇的鐵芯上按安規(guī)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(shè)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(shù)計算公式可知,同樣頻率、同樣截面積的鐵芯,在隔離驅(qū)動電路#2中的變壓器匝數(shù)會遠少于隔離驅(qū)動電路#1中(昨天介紹的)的變壓器匝數(shù),所以當處理的功率相同時,隔離驅(qū)動電路#2中的變壓器會比隔離驅(qū)動電路#1中的變壓器小。
圖(a)的隔離驅(qū)動電路,在產(chǎn)品的大動態(tài)過程或電源保護后再恢復(fù)工作的過程中,常會因為二極管1D的沒有及時導(dǎo)通,而導(dǎo)致其控制的MOSFET不能被可靠關(guān)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(dǎo)通,從而確保其控制的MOSFET無論在什么樣的大動態(tài)下,都能可靠關(guān)斷。