门脉冲驱动变压器设计指南
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。
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（Vμs）
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
10~200KHZ 200~500KHZ 500KHZ~1MHZ
Ferroxcube 3C90 3F3 3F35
EPCOS N67、N87 N49 N49
ACME P4 P5 P51
Mag Inc. P R K
Nicera NC-2H 2M 5M
TDK PC40 PC50 PC50
选择磁心用材料的一般规则列于表3。
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）
50~100 2~4
100~300 0.5~2
300~500 0.05~0.5
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 1∶2∶2
ET 10.5（Vμs）
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、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耦合强度。怎样绕制这种零件的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50μH到500μH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265±25%（199~331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-μs）。
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-μs。
初级绕组为20匝，次级绕组在40匝时即满足1∶2∶2的匝比。
5 决定导线规格
为了使初级绕组的电感值减至最小，输入电流将采用50μH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)(AL×10-9)=(202)(265×10-9)
=106μH
在磁心的AL值存在着±25%公差时，最小的电感值是75μH，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50μH。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。
最后，要按客户的要求进行产品包装。
完成变压器设计所需要的材料清单见表5所列。
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