ترانسفورماتور 1:1 که بدون ولتاژ تغییر می کند: ترانسفورماتورهای گیت درایو

مقدمه

تراشه کنترل کننده را در منبع تغذیه به عنوان یک کتابدار آرام در طبقه همکف و ماسفت برقی را به عنوان یک گاوصندوق سنگین در طبقه بالا تصور کنید که فقط توسط یک چاه آسانسور باریک به هم متصل شده است. آنها باید "صحبت کنند" - تراشه باید دقیقاً به سوئیچ بگوید که چه زمانی باز و بسته شود - اما آنها نمی توانند یک سیم واحد را به اشتراک بگذارند، زیرا ترمینال سوئیچ می تواند صدها ولت را بالای زمین بچرخاند. ترانسفورماتور گیت درایو (GDT) همان آسانسور عایق شده است: یک ترانسفورماتور کوچک که فرمان روشن/خاموش را به عنوان یک پالس مغناطیسی حمل می کند در حالی که دو طرف را از نظر الکتریکی جدا نگه می دارد.

چگونه کار می کند و چرا نسبت اغلب 1:1 است

یک GDT در هسته خود یک ترانسفورماتور دو سیم پیچ معمولی است که بر روی یک هسته فریت با نفوذپذیری بالا ساخته شده است. راهنمای طراحی کویل کرافت اشاره می کند که این هسته ها برای به حداکثر رساندن اندوکتانس مغناطیسی و به حداقل رساندن جریان مغناطیسی انتخاب شده اند. کار معمول آن تغییر ولتاژ نیست - بسیاری از GDT ها دقیقاً 1:1 هستند - بلکه ارائه یک پالس گیت ایزوله و سریع به یک دستگاه SiC/GaN MOSFET، IGBT یا باندگپ گسترده در حالی که ولتاژ حالت معمول بالا را در گره سوئیچ مسدود می کند.

تنها مهم ترین پارامتر محصول ولت-ثانیه (V·µs، گاهی اوقات ET نوشته می شود) است. با توجه به راهنمای گیت درایو Coilcraft و اصول ICE Components، این اولین معیار انتخاب است: رتبه V·µs ترانسفورماتور باید ≥ V × t(on) اعمال‌شده یا اشباع‌های هسته باشد. فیزیک قانون فارادی است - یک هسته مغناطیسی فقط می تواند شار زیادی را قبل از اشباع شدن نگه دارد و سیم پیچ برای مدت کوتاهی به یک اتصال کوتاه نزدیک تبدیل شود. همچنین به همین دلیل است که یک GDT نمی تواند DC را عبور دهد : در هر سیکل سوئیچینگ کامل، انتگرال ولتاژ سیم پیچ باید صفر باشد (تعادل ولت-ثانیه). در غیر این صورت، شار به سمت بالا "راه می رود" و پس از چند چرخه اشباع می شود، همانطور که یادداشت های الکترونیک قدرت بوهریوم/فاینمن توضیح می دهند.

برای مهندس: پارامترها و هشدارها

رتبه ولت-ثانیه: V·µs ≥ V_drive × t_on (معادل ≥ E_primary / 2f برای سیگنال‌های تکراری) را انتخاب کنید. هر دو ICE و Coilcraft بر این موضوع به عنوان مرحله اول تاکید می کنند.

اندوکتانس نشتی: آن را پایین نگه دارید. نشتی زیاد لبه دروازه را کند می کند و زنگ و EMI را اضافه می کند. مشخصات قطعات پریمیوم تقریباً 0.3-1.5 µH.

نسبت چرخش: 1:1 برای جداسازی خالص. نسبت های دیگر (مثلاً 1:2، 2:1) ولتاژ گیت را از یک منبع منطقی پایین افزایش می دهند.

جداسازی: برای بدترین حالت انتخاب کنید - قطعات خارج از قفسه 1500-3750 Vdc کار می کنند. محدودیت‌های خزش/ترخیص تقویت‌شده به استانداردهای ایمنی محصول مانند IEC 62368-1 (تجهیزات AV/IT) و الزامات ترانسفورماتور جداسازی IEC 61558-1 بازمی‌گردد. خود ترانسفورماتور SMPS توسط IEC 61558-2-16 پوشانده شده است.

چرخه وظیفه: درایوهای تک قطبی بالای 50 درصد نیاز به یک سیم پیچی یا تنظیم مجدد فعال دارند، یا شار به سمت اشباع حرکت می کند.

مثال کاربردی

در مبدل DC-DC نیم پل، یک GDT می تواند ماسفت های سمت بالا و پایین را با پالس های مکمل و ایزوله هدایت کند - ایمنی گذرا در حالت مشترک بالا، بدون تاخیر کوپلر، طرح فشرده. اینورترهای تجدیدپذیر، شارژرهای داخلی EV و شارژرهای سریع GaN همگی بر این متکی هستند.

تصور غلط و واقعیت جالب

تصور اشتباه: "ترانسفورماتور باید ولتاژ را بالا یا پایین کند." یک ترانسفورماتور گیت درایو اغلب دقیقاً 1:1 است - مقدار آن جداسازی است، نه نسبت.

واقعیت جالب: از آنجا که محدود کننده انتگرال ولت-ثانیه است، نه نسبت چرخش، 12 ولت ثابت در اولیه یک GDT کوچک آن را در حدود 10 میکرو ثانیه اشباع می کند - دقیقاً به همین دلیل است که هرگز نمی تواند DC را حمل کند.