ГУ50 ГУ50

Трансформаторы серии HCT от Bourns для развязки питания уровня +12 В IGBT-затворов

Трансформаторы серии HCT от Bourns для развязки питания уровня +12 В IGBT-затворов

рансформаторы HCTSM8 производства Bourns отлично подходят для изоляции питания в системах DC/DC-преобразователей. Специалисты компании Bourns провели тестирование компонентов, которое продемонстрировало преимущества топологии рush-pull при использовании трансформаторов серии HCTSM8 для подачи напряжения смещения на биполярный транзистор с изолированным затвором.

DC/DC-преобразователи обладают большим КПД за счет высокочастотного переключения и использования компонентов, накапливающих энергию, таких как катушки индуктивности и конденсаторы. Они используются во многих высоковольтных приложениях, например, в системах накопления энергии на базе суперконденсаторов, приводах электродвигателей, системах высоковольтных батарей и инверторах для солнечных батарей.

С увеличением числа электромобилей, в которых требуется гальваническая развязка, push-pull-преобразователи получают все большее распространение. Благодаря низкой эмиссии электромагнитных помех, высокому КПД и малой занимаемой площади они идеально подходят для автомобильных приложений. Топология «push-pull» может использоваться для обеспечения питания систем управления батареями (BMS), бортовых зарядных устройств и тяговых инверторов, в которых необходимо изолировать цепи высокого напряжения от цепей низкого напряжения.

Трансформаторы HCT производства компании Bourns® сертифицированы для использования совместно с драйверами трансформаторов SN6501 и SN6505B от Texas Instruments, предназначенными для изолированных источников питания и имеющими максимальное рабочее напряжение 5 В. Теоретически трансформаторы серии HCTSM8 могут работать при гораздо более высоких напряжениях. Давайте рассмотрим, как этого достичь, используя микросхему SN6501. Решение включает в себя установку пары полевых транзисторов между трансформатором и SN6501, что защищает микросхему от высоких напряжений в указанных конструктивных пределах.

На рисунке 1 показано типичное применение push-pull-трансформатора для генерации напряжения ±15 В, используемого для включения и выключения IGBT. Одной из особенностей этого источника питания является максимальное входное напряжение питания, составляющее 5 В, что ограничивает диапазон его применений и делает невозможным использование при входных напряжениях выше 5 В (например, 12 или 24 В).

Рис. 1. Изолированный источник смещения для драйвера затвора IGBT

Рис. 1. Изолированный источник смещения для драйвера затвора IGBT

DC/DC-преобразователи также необходимы для изоляции питания интерфейсов в цифровых цепях. 12 В – это стандартный уровень промышленного напряжения. Предлагаемое решение может быть использовано, например, в DC/DC-преобразователе 2:1 для шины питания 12 В в системе интерфейса связи. Здесь DC/DC-преобразователь должен обеспечивать гальваническую развязку между блоком развязки сигнала и блоком приемопередатчика.

Push-pull-преобразователь представляет собой топологию с двумя ключами, обладающую очень высоким КПД. Для реализации требуется трансформатор, который будет передавать мощность от первичной обмотки ко вторичной в каждом цикле переключения. На рисунке 2 показана операция переключения. Когда ключ M1 замкнут, ток течет через обмотку L1. В то же время ток течет через обмотку L4, а диод D2 является проводящим. Обратное происходит, когда M2 замкнут, а M1 разомкнут; ток течет через L2, L3 и D1. Стоит упомянуть о наличии мертвого времени, когда оба ключа разомкнуты для предотвращения вероятности возникновения короткого замыкания.

Рис. 2. Работа двухтактного преобразователя. Красными линиями показан путь выходного тока

Рис. 2. Работа двухтактного преобразователя. Красными линиями показан путь выходного тока

Электрические и механические преимущества

Трансформаторы серии HCT Bourns® обладают множеством преимуществ благодаря высоким электрическим и механическим показателям. Например, они обеспечивают высокий КПД при стабильном входном и выходном токах. Push-pull-трансформатор этой серии используется в конфигурации без обратной связи, что позволяет упростить конструкцию. Кроме того, обеспечивается более эффективное использование сердечника трансформатора, поскольку он потребляет ток в обе половины цикла переключения. Также трансформатор имеет низкий уровень электромагнитных помех благодаря балансной конфигурации push-pull-преобразователя. Эта особенность является преимуществом для автомобильных приложений, где существуют строгие требования к уровню электромагнитных помех.

К механическим преимуществам серии HCT относится небольшая занимаемая площадь, широкий зазор и инновационная конструкция, позволяющая максимально увеличить длину пути утечки. Сердечник трансформатора расположен в специальном компактном корпусе, увеличивающем длину пути прохождения тока между первичной и вторичной обмотками. Таким образом, трансформатор серии HCT с небольшой площадью имеет основание длины пути утечки такое же, как и у обратноходового трансформатора, занимающего гораздо большую площадь.

Трансформаторы Bourns® серии HCTSM8 представлены 11 моделями, имеющими различное соотношение числа витков, что позволяет подобрать компонент для практически любого решения (таблица 1).

Таблица 1. Основные характеристики трансформаторов Bourns® серии HCTSM8

НаименованиеМинимальная индуктивность первичной обмотки, (µH) @ 100 kHzМаксимальная индуктивность утечки, (µH) @ 100 kHz/0.1 VОтношение
числа витков первичной и вторичной обмоток
Максимальное сопротивление первичной обмотки, ОмМаксимальное сопротивление вторичной обмотки, Ом
HCTSM80101AAL-E12500,81:10,300,20
HCTSM80102AAL-E12500,61:20,300,35
HCTSM80201AAL-E12501,22:10,300,15
HCTSM80304BAL-E13000,63:40,300,30
HCTSM80305BAL-E13000,63:50,300,30
HCTSM80308BAL-E13000,73:80,500,85
HCTSM80403AAL-E12500,84:30,300,20
HCTSM80803AAL-E12501,88:30,300,15
HCTSM80809AAL-E12500,68:90,300,25
HCTSM80910BAL-E13000,99:100,300,25
HCTSM81017CAL-E13500,910:170,420,48

Схема и реализация

Как показано на принципиальной схеме, приведенной на рисунке 3, полевые транзисторы расположены между первичной обмоткой трансформатора и стоками внутренних полевых транзисторов SN6501 от TI. Полевые транзисторы защищают микросхему от напряжений выше 5 В, не влияя при этом на КПД схемы. Линейный стабилизатор используется для подачи напряжения питания на драйвер SN6501 от входного напряжения, а отдельный источник напряжения применяется для смещения затворов полевых транзисторов.Для достижения максимального КПД напряжение затвора выбрано равным 5 В. Более высокое напряжение затвора приводит к более высокому току стока и требует большего потребления от источника входного напряжения. Кроме того, рекомендуется тщательно выбирать полевой транзистор с малой выходной емкостью и низким сопротивлением Rds(on). Если выходная емкость полевого транзистора слишком велика, напряжение на стоке устройства SN6501 начнет «плавать», что может повредить микросхему. Следует выбрать полевой транзистор с малым сопротивлением Rds(on), поскольку они непрерывно находятся во включенном состоянии. Чем ниже Rds(on), тем эффективнее схема (рисунок 4).

Рис 3. Схема, позволяющая применять трансформаторы серии HCTSM8 при более высоких входных напряжениях

Рис 3. Схема, позволяющая применять трансформаторы серии HCTSM8 при более высоких входных напряжениях

Рис. 4. Печатная плата для трансформатора серии HCTSM8

Рис. 4. Печатная плата для трансформатора серии HCTSM8

В центре проектирования магнитных устройств компании Bourns было проведено тестирование предложенной схемы с использованием источника питания постоянного тока, электронной нагрузки постоянного тока и осциллографа. В таблице 2 приведен список используемого оборудования. Выходное напряжение определяется соотношением витков трансформатора и приложенным входным напряжением. В схеме были задействованы два трансформатора с соотношением количества витков 1:1 и 2:1. Входное напряжение, подаваемое в течение всего тестирования, составляло 12 и 15 В. Результаты проведенного тестирования представлены в следующем разделе.

Таблица 2. Оборудование, используемое при тестировании

ОборудованиеИзготовительНаименование
ОсциллографLeRoyWaveACE101
Источник питания постоянного токаPowerboxPB3100
НагрузкаBK Precision8540
Цифровой мультиметрFluke179

Результаты тестирования схемы, полученные компанией Bourns

Инженеры Bourns провели два испытания с использованием трансформаторов одной серии, но обладающих разным соотношением количества витков – 1:1 и 2:1. Тестовая установка представлена на рисунке 5.

Рис. 5. Тестовая установка

Рис. 5. Тестовая установка

Модель 1. Трансформатор HCTSM8 с соотношением количества витков 1:1

В первом тесте использовался трансформатор с соотношением количества витков 1:1, а входное напряжение составляло 15 В. На рисунке 6 показан КПД схемы при токе нагрузки 0…100 мА. Оптимальный КПД был достигнут при максимальном токе нагрузки 100 мА. Для повышения КПД необходимо выбирать полевой транзистор с малым сопротивлением Rds(on) для минимизации потери мощности, поскольку полевые транзисторы всегда находятся во включенном состоянии.

На рисунке 7 показана зависимость выходного напряжения от тока нагрузки. Выходное напряжение остается относительно стабильным при увеличении тока нагрузки и не опускается ниже 14,5 В. В схеме не используются ни обратная связь, ни LDO, поэтому небольшое понижение выходного напряжения при увеличении тока нагрузки является нормальным.

Рис. 6. График зависимости КПД от тока нагрузки для трансформатора серии HCTSM8 с соотношением количества витков 1:1

Рис. 6. График зависимости КПД от тока нагрузки для трансформатора серии HCTSM8 с соотношением количества витков 1:1

Рис. 7. График зависимости выходного напряжения от тока нагрузки для трансформатора серии HCTSM8 с соотношением количества витков 1:1

Рис. 7. График зависимости выходного напряжения от тока нагрузки для трансформатора серии HCTSM8 с соотношением количества витков 1:1

Модель 2. Трансформатор серии HCTSM8 с соотношением количества витков 2:1

Во втором тесте использовался трансформатор той же серии, но с соотношением количества витков 2:1. Входное напряжение составляло 12 В, что соответствует напряжению на шине 12 В в источнике питания связи. Показатели тока нагрузки составили 0…300 мА. Полученные результаты аналогичны результатам предыдущего теста. Из рисунка 8 видно, что самый высокий КПД достигается при максимальном токе нагрузки. На рисунке 9 показано, что выходное напряжение немного уменьшается с ростом тока нагрузки.

Рис. 8. График зависимости КПД от тока нагрузки для трансформатора серии HCTSM8 с соотношением количества витков 2:1

Рис. 8. График зависимости КПД от тока нагрузки для трансформатора серии HCTSM8 с соотношением количества витков 2:1

Рис. 9. График зависимости выходного напряжения от тока нагрузки для трансформатора серии HCTSM8 с соотношением количества витков 2:1

Рис. 9. График зависимости выходного напряжения от тока нагрузки для трансформатора серии HCTSM8 с соотношением количества витков 2:1

Результаты испытаний

Проведенное тестирование демонстрирует успешную работу обеих push-pull-схем. Полученные результаты показывают, что установка полевых транзисторов мало влияет на КПД, но, тем не менее, важно выбрать полевой транзистор с малым сопротивлением Rds(on), иначе КПД снизится. Предлагаемая схема доказывает, что микросхему TI SN6501 можно использовать при входных напряжениях выше 5 В. Приведенные примеры также подчеркивают, что трансформаторы серии HCTSM8 производства Bourns®, совместно с драйверами TI SN6501, являются идеальным решением для изоляции шины 12 В в системе связи, а также могут использоваться в качестве источника питания для переключения IGBT.

13:38
Нет комментариев. Ваш будет первым!