1、2008.01137Report extracted from international documents and literature国际文献报道1 引言因为电子设备的电路变得更为复杂，故要求成熟的电气工程设计参数具有更加临界的数值。在设计电路的每一个阶段，精确的工程计算是基本的要求。同时，在其零部件设计时，这一点也是同样重要的。所以，必须精心地设计开关电源（SMPS）中门脉冲驱动变压器的每一个零部件。门脉冲驱动变压器在开关电源中被要求用来控制电路之间的同步动作。这些器件用来为开头电源半导件元器件如高压功率MOSFETs或IGBTs提供电脉冲。这种变压器也用作电压隔离和阻抗匹配。门脉冲驱
2、动变压器是用来驱动电子开关器件门电路的基本脉冲变压器。设计这类变压器时，是假定其脉冲的上升、下降和上冲时间都是最佳的值。使用中要辨别它们是门脉冲驱动变压器还是其它变压器。在基础门脉冲驱动变压器设计中，存在一系列设计变数，其中的每个变数由其专项应用决定。它们的一些通用简图及其相应的转换关系见图1所示。典型的门脉冲驱动变压器是用铁氧体磁心设计制造的，这样可以降低成本。常用磁心的外形大多数是EE、EER、ETD型。它们都是由“E”型磁心和相应的骨架组成。这些骨架可以采用表面安装法或通孔安装法装配。在有些情况下，也采用环形磁心设计制作门脉冲驱动变压器。典型的脉冲变压器设计所要求的参数列于表1。如果有安
3、全标准（如UL、VDE、CUL、IEC或TUV）的要求，那么，在变压器设计中必定会涉及可靠的漏电流及其清除方法问题。对于漏电流及其清除方法要求的文件资料，必须从安全工作办事处取得。门脉冲驱动变压器设计指南A Guide to designing gate-drive transformers薛蕙 编译 姜劲 校摘 要： 为适应开关电源（SMPS）使用的要求，在门脉冲驱动变压器设计时，应按程序逐步地优化变压器的机械、热和电参数。关键词： 门脉冲驱动变压器，设计指南，开关电源（SMPS）中图分类号：TM4 文献标识码：B 文章编号：1606-7517（2008）01-04-137图1 这些简图代表
4、了具有门脉冲驱动变压器的一些电路组态1382008.01Report extracted from international documents and literature国际文献报道如果设计的变压器是为军事目的所应用，那么，选用的制作材料可不必依从RoHS指令，磁性器件设计工程师需要了解RoHS指令，因为RoHS指令限制若干种材料在变压器设计制造中被采用，这将影响变压器的一些重要性能。表1 典型的脉冲变压器设计参数磁路设计工程参数电压匝数比ET（Vs）工作频率占空因数功率电平绝缘强度工作温度安全要求（如UL、VDE、CUL、IEC或TUV）装配形式（表面安装法或经由通孔安装）军用或商用目
5、的2 磁心用材料的选择设计门脉冲驱动变压器的第一步是选择决定磁心用材料。磁心用材料的选择取决于开关电源的工作频率。表2列出了由一些磁性材料销售商推荐的三种不同频率范围使用的铁氧体材料。SMPS的工作频率将决定门脉冲驱动变压器初级要求的电感量总值。表2 变压器磁心用铁氧体材料销售商频率范围10-200KHZ200-500KHZ500KHZ-1MHZFerroxcube 3C90 3F3 3F35EPCOS N67、N87 N49 N49ACME P4 P5 P51Mag Inc. P R KNicera NC-2H 2M 5MTDK PC40 PC50 PC50选择磁心用材料的一般规则列于表3。
6、3 将寄生参数减至最小表3 变压器初级电感值与工作频率间关系的一般规律工作频率（KHZ） 初级电感值（mH）50-1002-4100-30 0.5-2300-5000.05-0.5表4 脉冲变压器设计实例的电气技术条件脉冲变压器设计样品参数电压 12Vpeak匝数比 122ET 10.5（Vs）工作频率 300KHZ占空因数 50%功率电平 5W绝缘强度 绕组之间500Vdc工作温度 -20-130安全要求 N/A装配（SMT或通孔安装） SMT军用或商用 商用在设计门脉冲驱动变压器时，其关键电气参数中的两个参数漏电感值和绕组电容量是需要控制的。因为大的漏电感值和绕组电容量可能引起诸如相位漂移
7、、时间误差、噪声和上冲等不合乎使用要求的输出信号。绕组在弱耦合状态下会产生漏电感。绕组的匝数较多以及在制造过程中绕组的线匝排列不均匀时都将产生大的绕组电容量。在变压器的电气参数设计阶段和规范的制造过程中，可以保证漏电感减至最小值。有许多公式可以用来为实际的变压器设计计算其所希望的漏电感近似值。在变压器的磁路设计中，用来估算漏电感值的公式之一表述如下：式中， IL=两个绕组之间的漏电感值（单位，亨）；N=绕组的匝数； MT=整体磁心平均周长（单位，吋）； n=绕组之间介质（绝缘）层的数量；c=介质（绝缘）层的厚度（单位，吋）；b=绕组的横向尺寸（单位，吋）。在变压器的设计制造中，无论如何要避免绕
8、组存在半匝的情况。因为半匝绕组是不耦合的线匝，因此其漏电感值很高。绕组的电容量应保持在“微微法拉”的范围之内（希望其值小于100PF）。在制造门脉冲驱动变压器时，其漏感值可以在生产过程中用适当的卷绕方法进行限制。图2示出的绕组的技术要求，在图的中心部位示出了卷绕绕组的方法。绕组的规范生产布置情况由图1C所示。图中标志出了两端点（起始点1和结束点6）的引出导线都在初级一侧。绕组由中心向两端绕制的方法可以增加线匝间的感应2008.01139Report extracted from international documents and literature国际文献报道耦合强度。怎样绕制这种零件的
9、一步步操作工艺过程表述如下：用红色和绿色两根导线（起始点“2”和“3”）双线卷绕10匝。接着增加一根原来的导线成三股线，持三根导线（这一步以起始点“1”标志）加绕20匝，在总匝数达到30匝时停止原来的导线卷绕。这一步由端点的结束点“6”反映出来。再用红色和绿色导线一起构成双线绕制10匝，致使用这些导线卷绕的总匝数为40匝。这一步以端点的结束点“4”和“5”为标志。现在，为设计和绕制门脉冲驱动变压器提供了基本信息，可以用图1作为设计实例的参考来完成变压器的设计。变压器的电感值范围应维持在50H到500H之间，见表3所列。关于该变压器的性能参数要求请见表4。如上所述，设计门脉冲驱动变压器的第一步是
10、决定用什么磁性材料做磁心以及确定磁心的尺寸。在实际的设计应用中，最适合做磁心的材料是3F3铁氧体或者是具有其等效性能的其它磁性材料，表2所列是由Ferroxcube公司提供的变压器磁心用材料。因为表中所列出的功率电平小于5W，故选择3F3铁氧体材料制作成E5.3/2.7/2型磁心。表中所列磁心的AL值（每千匝的电感率单位，微亨）是26525%（199331微亨）。磁心的截面积为0.0265cm2。变压器绕组的匝数用下列公式计算：式中，B=磁通量密度（单位，高斯（G）；Acore=磁心的截面积（cm2）；ET=伏一秒常数（V-s）。ET可用来检测变压器或电感器的能量处理能力，并且它取决于磁心的截
11、面积、磁心所用材料、绕组匝数和所用脉冲的占空因数。在本设计中将采用2000高斯等级的磁通密度。在这样的磁通密度等级上，不会存在磁心产生饱和的危险性，因为由Ferroxcube公司提供的3F3磁性材料的Bsat值是4000高斯（G）；又因为采用的是E型磁心，装配时在其粗糙的表面上将存在微小的气隙，也可防止磁心进入饱和状态。4 确定绕组匝数因为所有的设计参数已知，变压器初级绕组的匝数可以用以下公式计算：（匝）式中，B=2000高斯（G）；Acore=0.0265cm2（磁心截面积）；ET=10.5V-s。初级绕组为20匝，次级绕组在40匝时即满足122的匝比。5 决定导线规格为了使初级绕组的电感值
12、减至最小，输入电流将采用50H的电感值进行计算，见表3所列。输入电流计算式如下：初级绕组用导线尺寸由下式计算：Awire=（圆周密尔/安培）（Iin）（DT）式中，Awire=导线截面积（单位，圆周密尔）；Iin=输入电流（A）；DT=占空因数。以500圆周密尔/安培代入式中，电流为255mA和占空因数为50%时，得到63.75圆周密尔的导线截面积，由#32导线尺寸提供裕度。初级绕组将采用#32H导线MW80C(155)，使用MW80C是经过精选的，因为它能满足130的极限温度要求。同时，它是用焊接的方法拆卸，是最方便的。次级绕组采用什么样的导线尺寸，取决于每个绕组中3mA的电流等级。每个绕组
13、用圆周密尔为单位计算是1.5，因此#48H导线将被用于每个次级绕组。6 完成设计因为导线尺寸已经算出，以后的任务是要求保证所有使用的材料适合封装的条件。为把铁氧体磁心胶合在一表5 用于成套脉冲变压器的材料之最终清单脉冲变压器设计例子所用材料的清单磁心 Ferroxcube公司的E5.3/2.7/2型，材料3F3骨架 Ferroxcube公司的E5.3/2-1s-6P导线#48H（MW80c，绿色和红色）焊料高温焊料（如有RoHS要求，用SN10或SN96AG4）粘结剂 制造者选择（胶合磁心用）带料 3M#56（用于变压器外部缠绕）1402008.01Report extracted from
14、international documents and literature国际文献报道起，必须选择适合的粘结剂。初级开路时的电感值用以下公式检验：L=(N2)(AL10-9)=(202)(26510-9)=106H在磁心的AL值存在着25%公差时，最小的电感值是75H，这个电感值是相对较小的，但它已能够满足设计参数要求。最小的电感值必须满足50H。匝数的增加将增大电感值，这时需要折衷处理电容值。所以，20匝的规定是必须保证的。图3 在完成不同技术要求的多参数脉冲变压器设计过程中，必须进行参数优化。图2 本图表示的绕组规格将增加不同绕组间的感应耦合最后，要按客户的要求进行产品包装。完成变压器设
15、计所需要的材料清单见表5所列。参考资料（略）电感器结构特点 （一）电感器的结构与特点电感器一般由骨架、绕组、屏蔽罩、封装材料、磁心或铁心等组成。 1骨架 骨架泛指绕制线圈的支架。一些体积较大的固定式电感器或可调式电感器（如振荡线圈、阻流圈等），大多数是将漆包线（或纱包线）环绕在骨架上，再将磁心或铜心、铁心等装入骨架的内腔，以提高其电感量。骨架通常是采用塑料、胶木、陶瓷制成，根据实际需要可以制成不同的形状。小型电感器（例如色码电感器）一般不使用骨架，而是直接将漆包线绕在磁心上。 空心电感器（也称脱胎线圈或空心线圈，多用于高频电路中）不用磁心、骨架和屏蔽罩等，而是先在模具上绕好后再脱去模具，并将线
16、圈各圈之间拉开一定距离。 2绕组 绕组是指具有规定功能的一组线圈，它是电感器的基本组成部分。 绕组有单层和多层之分。单层绕组又有密绕（绕制时导线一圈挨一圈）和间绕（绕制时每圈导线之间均隔一定的距离）两种形式；多层绕组有分层平绕、乱绕、蜂房式绕法等多种。 3磁心与磁棒 磁心与磁棒一般采用镍锌铁氧体（NX系列）或锰锌铁氧体（MX系列）等材料，它有“工”字形、柱形、帽形、“E”形、罐形等多种形状。 4铁心 铁心材料主要有硅钢片、坡莫合金等，其外形多为“E”型。 5屏蔽罩 为避免有些电感器在工作时产生的磁场影响其它电路及元器件正常工作，就为其增加了金属屏幕罩（例如半导体收音机的振荡线圈等）。采用屏蔽罩
17、的电感器，会增加线圈的损耗，使Q 值降低。 6封装材料 有些电感器（如色码电感器、色环电感器等）绕制好后，用封装材料将线圈和磁心等密封起来。封装材料采用塑料或环氧树脂等。（二）小型固定电感器 小型固定电感器通常是用漆包线在磁心上直接绕制而成，主要用在滤波、振荡、陷波、延迟等电路中，它有密封式和非密封式两种封装形式，两种形式又都有立式和卧式两种外形结构。 1立式密封固定电感器 立式密封固定电感器采用同向型引脚，国产有LG和LG2等系列电感器，其电感量范围为0.1-2200H（直标在外壳上），额定工作电流为0.05-1.6A，误差范围为5%-10%。进口有TDK系列色码电感器，其电感量用色点标在电
18、感器表面。 2卧式密封固定电感器 卧式密封固定电感器采用轴向型引脚，国产有LG1、LGA、LGX等系列。 LG1系列电感器的电感量范围为0.1-22000H（直标在外壳上），额定工作电流为0.05-1.6A，误差范围为5%-10%。 LGA系列电感器采用超小型结构，外形与1/2W色环电阻器相似，其电感量范围为0.22-100H（用色环标在外壳上），额定电流为0.09-0.4A。 LGX系列色码电感器也为小型封装结构，其电感量范围为0.1-10000H，额客电流分为50mA、150mA、300mA和1.6A四种规格。（三）可调电感器 常用的可调电感器有半导体收音机用振荡线圈、电视机用行振荡线圈、行线性线圈、中频陷波线圈、音响用频率补偿线圈、阻波线圈等。小资料
