Расчет и применение GDT

Опубликовано в рубрике "Высоковольтное,Источники питания", 10 сентября, 2009.
Тэги: , автор:

Трансформатор управления затворами (GDT, Gate Drive Transformer) используется во всевозможных преобразователях напряжения и предназначен для гальванической изоляции управляющей схемы и силового ключа.

Эта статья поможет вам рассчитать такой трансформатор для вашей схемы.

image

 

Функции GDT:

  • Гальваническая развязка
    в топологиях типа мост, полумост (и некоторых других), необходима гальваническая изоляция верхних ключей (ключей, который находятся под напряжением относительно схемы управления)
  • Передача управляющего сигнала
  • Трансформация напряжения
    В некоторых схемах напряжение питания драйвера может быть ниже напряжения необходимого для надежного открывания ключа. В этих случаях применяют повышающий GDT. Возможны случаи когда, наоборот, напряжение питания драйвера больше напряжения питания ключа, для решения проблемы можно применить понижающий GDT.
  • Инвертирование фазы сигнала
    В простых мостовых или полумостовых преобразователях часто необходимы противофазные сигналы для управления соседними ключами. GDT позволяет очень просто инвертировать фазу сигнала.

 

Конкуренты GDT и их недостатки.

  • Непосредственная связь с bootstrap питанием — требует применения специальных микросхем (IR2110, к примеру), не может зарядить затвор до напряжения ниже нуля, ограниченное быстродействие.
  • Оптические драйвера – относительно сложны, необходимо принимать специальные меры для зарядки затвора ниже нуля, небольшой CMR, медлительны (в последнее время появились быстрые изоляторы типа ADuM и ISO, которые решают последние две проблемы)

 

Недостатки GDT

  • Затягивание фронтов, связанное с ограниченной полосой пропускания (очень часто, это не имеет никакого значения).
  • У GDT существует емкость между первичной и вторичной обмотками, и, хотя она могут достигать существенных величин, ток проходящий через нее не может вызвать разрушение GDT. В крайних случаях этот ток можно подавить ферритовой бусинкой. Проблемы, вызванные межобмоточной емкостью встречаются крайне редко.
  • GDT работоспособен лишь в небольшом диапазоне частот около частоты на которую он рассчитан. Выше по частоте, может сказаться паразитная индуктивность, ниже сердечник может насыщаться.
  • Наличие паразитных параметров, от которых придется избавляться.

Какие у бывают характеристики у GDT?

Индуктивность – измеряется в генри (Гн) и квадратично зависит от количества витков на GDT.

Чем меньше индуктивность, тем больше ток намагничивания, но меньше индуктивность рассеяния. Если индуктивность сделать слишком маленькой (ток намагничивания слишком большой), то сердечник насытится. На прямую индуктивность GDT практически никогда не используют в расчетах.

Индукция насыщения  — это максимальная величина магнитного поля которую еще может выдержать сердечник. Измеряется в теслах (Тл).

Когда сердечник насыщается, выходное напряжение больше не зависит от входного, а со стороны первичной обмотки происходит “короткое замыкание” – обмотка GDT перестает сопротивляться току. Выходные драйвера начинают работать на короткое замыкание, а это может вывести их из строя. За драйверами, оставшись без контроля, из строя может выйти и вся остальная конструкция.

Типичная величина индукции насыщения феррита — 300мТл

Обычно, индукцию насыщения напрямую связывают только с током намагничивания который протекает в первичной обмотке GDT, однако для трансформаторов тесла все не так просто. Индукция поля, которую создает первичная обмотка самой теслы может иметь достаточную величину, чтобы насытить находящийся недалеко от нее GDT.

Я использовал симулятор FEMM 4.2 для изучения этого вопроса. Прямоугольником обозначено сечение ГДТ, который находится прямо под первичной обмоткой DRSSTC. Обмотка высотой 10см и диаметром 28см содержит 7 витков провода, через который течет 600А

image

Как видно, поле от первички теслы в сердечнике довольно маленькое, но оно есть. В общем случае я рекомендую сделать запас по полю в 100мТл. GDT с таким запасом хорошо будет работать в теслах с током до 1000А

Если вы хотите просимулировать GDT своей теслы, то можете использовать мою модель как шаблон.

Программа FEMM безплатна и взять ее можно тут — femm.info

Индуктивность рассеяния – это часть индуктивности первичной обмотки, которая не связанна со вторичной обмоткой.  Индуктивность рассеяния – это паразитный параметр, который нужно всеми возможными способами уменьшать. Пример того, что будет вместо красивых прямоугольников на затворах, если индуктивность рассеяния окажется слишком велика:

crap

 

Индуктивность рассеяния можно уменьшить следующими методами – изменить тип намотки, уменьшить количество витков на GDT, увеличить проницаемость материала GDT.

Тип намотки. Способы намотки и коэффициенты связи обмоток приведены в таблице [1]:

Чем больше коэффициент связи, тем меньше индуктивность рассеяния и тем лучше работает GDT

Тип обмотки Коэффициент связи Фото
Раздельная 0.988379 image
Сосредоточенная 0.999456 image
Круговая 0.999803 image
Филярная ( пучком из нескольких скрученных проводов ) 0.999837 image
Проводом в экране 0.999905 image

Как видно, наилучшими характеристиками обладает ГДТ, намотанный проводом в экране, однако для практического применения хватает и филярной обмотки. Также, чем плотнее обмотка прилегает к сердечнику, тем больше коэффициент связи.

Индуктивность рассеяния также можно уменьшить, уменьшив до минимума количество витков, однако, при уменьшении количества витков возрастает ток в первичной обмотке (увеличивается нагрузка на драйвер) и увеличивается индукция магнитного поля, что может привести к насыщению сердечника (при насыщении сердечника энергия перестает передаваться во вторичную обмотку).

Минимальная рабочая частота.

Минимальная рабочая частота ограниченна индукцией насыщения сердечника. Если подать на GDT частоту ниже минимальной, то сердечник насытится.

Максимальная рабочая частота.

Ограничена только индуктивностью рассеяния (которая  в свою очередь зависит от материала сердечника, количества витков итп).

Как-же выбрать количество витков?

Для этого можно применить использовать простую формулу. (Формула получена подстановкой определения индуктивности в закон Фарадея)

N – количество витков, штук.
V – максимальное напряжение которое будет присутствовать на GDT на протяжении времени t, В
t – время на которое будет подано напряжение V, сек
B – индукция насыщения сердечника, Тл
Ae – сечение сердечника, м^2

gdt

Количество витков следует округлить в большую сторону. Индукцию насыщения следует выбирать с учетом близкорасположенных источников магнитных полей.

Для упрощения расчетов, в калькулятории есть соответствующий калькулятор.

Какие материалы использовать?

Лучшими параметрами для GDT обладают тороидальные сердечники, поэтому я буду обсуждать только их. Первое, что необходимо выбрать — это рабочая частота сердечника. Задавшись рабочей частотой, можно выбрать материал. Это можно сделать, посмотрев на графики зависимости проницаемости сердечника от рабочей частоты, которые производители приводят в datasheet’ах. На рабочей частоте проницаемость не должна падать меньше 1000. Чем больше проницаемость сердечника, тем меньше паразитная индуктивность (тем лучше). Пример такого графика от фирмы EPCOS:

epcos

Лучшие доступные материалы для сердечников:

Ferroxocube: 3F35, 3F4, 3F45
Epcos: N30, N45, T57, T38

На картинке ниже справа расположены сердечники из распыленного железа — из применять ни в коем случае не стоит, слева — типичные «совковые» сердечники.

 ferr

 

Как показала недавняя практика, совковый материал 2000НМ1 вполне неплохо работает в качестве ГДТ на частоте 80кГц, используйте на здоровье!

Каким проводом мотать GDT?

Можно написать очень много слов и формул про то, как правильно рассчитать сечение провода, однако на практике, любители используют то, что доступно. Чаще всего выбор падает на провод от сетевой витой пары.

Сразу предупрежу, что изоляция этого провода, теоретически, не должна выдерживать высоковольтную высокочастотную переменку, которая обычно присутствует в тесле. Однако, я не знаю ни одной конструкции в которой этот провод подвел бы.

image

Счастливые обитатели стран бывшего СССР могут легко приобрести провод, который называется МГТФ – это очень хороший провод, который гарантированно выдержит ту самую высокочастотную переменку. Плюс нет вероятности, что изоляция расплавится от перегрева, как это может произойти с компьютерной витой парой.

image

 

Перед тем, как мотать GDT, советую еще прочитать

[1] Practical GDT Designs. http://thedatastream.4hv.org

[2] Gate drive transformer http://wiki.4hv.org/index.php/GDT




Комментарии
  1. Aleph написал(а) 18 октября, 2009 в 17:05

    Хорошая статья, мне понравилось.

  2. Dizel написал(а) 23 октября, 2009 в 16:03

    чем мерил Ксвязи между обмотками?

    BSVi Reply:

    Ксвязи измеряется обычный L — метром. Те цифры что в статье полученны не мной. К. связи филлярной обмотки очень похож на тот, что я получил приборчиком Hameg HM8118.

  3. Dizel написал(а) 23 октября, 2009 в 16:03

    за статью — зачет!

  4. Слава написал(а) 24 декабря, 2009 в 0:20

    Спасибо! Очень интересно!

  5. Serg написал(а) 3 февраля, 2010 в 14:47

    Неплохая статья.
    Спасибо.
    Вот только, где этот Epcos найти?
    Среди Ф-образных сердечников бывают достойные?
    Кстати в считалке надо поправить в помощи «…..Если даташите нет, пишите 0.25……» на «…пишите 250…».

    BSVi Reply:

    Ф образные — в основной своей массе — силовые. Если нет кольцевых, можно попробовать и с ними. У меня неплохие результаты даже с советскими ферритами получались. Программу поправить сейчас не могу — builder на отрез отказывается запускаться, а винду пере устанавливать лениво.

  6. aeore написал(а) 7 февраля, 2010 в 1:55

    Спасибо за статью, было интересно

  7. qic написал(а) 18 июня, 2010 в 20:34

    Привет, BSVi!
    Помоги пожалуйста с ГДТ.
    Моя SSTC аналогична твоей Malleus Maleficarum .
    Только пока проблемы с тороидом — а что есть понижает частоту до 666-680кГц.
    Вопрос по ГДТ — кольцо 5х6 мм х 32мм 2000МН совковое. Питание 12В — мост.
    Считалка выдает меньше витка. Как быть?
    Силовая практически такая-же. Только мост перед ГДТ на кт814/815 а не UCC.

    BSVi Reply:

    Я посчитал — получилось 1.5витка. Мотай 2, а лучше уменьши кольцо.

    qic Reply:

    Спасибо!
    Есть кольцо на 5х6х20
    На него витка 3 ?

    BSVi Reply:

    от диаметра количество витков не зависит, только от сечения.

  8. kazik написал(а) 21 апреля, 2011 в 8:47

    Спасибо за проделанную работу. Очень пригодилось!

  9. jes написал(а) 14 мая, 2011 в 12:51

    При запуске программы, выдается следующее сообщение:

    “0.5” is not a valid floating point value

    Я так понял, что это относится к параметру Кзап.
    При установке его = 1, это сообщение не выводится, и происходит расчет.

    Чего делать ?

    BSVi Reply:

    Похоже, у вас выставлена русская локаль. Разделителем в ней является запятая, а не точка.

  10. jes написал(а) 14 мая, 2011 в 19:57

    У меня действительно установлена лицензионная русифицированная Win_XP Prof. После замены точки на запятую в Кзап, все заработало.

    Большое спасибо за подсказку.

  11. kazik написал(а) 7 июня, 2011 в 22:00

    В проге написано: …, пишите 0.25
    Точнее надо писать 250.
    Монстры импульсной техники вообще рекомендуют не более 100.

  12. Misha25 написал(а) 18 июня, 2011 в 21:20

    Давненько уже купил такое вот колечко.
    http://www.promelec.ru/catalog/1856/248/280/127099/127099/
    Подойдет ли для 350-400кГц ?

    BSVi Reply:

    С ходу не нашел даташита на материал.

    Misha25 Reply:

    На китайском сайте производителя — единственное 2700 +- 20% — начальная магнитная пронецаемость.

    BSVi Reply:

    По этому параметру я ничего сказать не могу. Нужно искать график потерь от частоты и смотреть, чтобы потери были небольшими.

    Misha25 Reply:

    что из этой таблицы подойдет ? http://www.promelec.ru/catalog_info/54/132/522/290/

    BSVi Reply:

    2000НМ1

    Misha25 Reply:

    Благодарю. Ты в статье написал о 80кГцах для этого материала. а у меня будет 350-400кГц. как же так?

    BSVi Reply:

    Работает на 80, это не значит, что не будет работать на 400. По крайней мере, угол потерь = 0.1 на 600кгц, судя по таблице.

    Misha25 Reply:

    А, все , дошло. туплю !

    Misha25 Reply:

    Спасибо. Буду делать на 2000нм1.

  13. goshik написал(а) 6 сентября, 2011 в 21:23

    Похоже что в формуле для количества витков, после второго равно забыта буква B.

  14. nERV написал(а) 24 февраля, 2012 в 19:21

    Есть МГТФ-Э, т.е экранированный. Стоит ли мотать таким, т.е провода первички и вторички будут каждый в своем экране? И куда, собсно, цеплять этот экран?

    BSVi Reply:

    Не стоит, паразитная емкость будет большая.

  15. ax-9 написал(а) 16 июня, 2012 в 8:04

    У меня на ГДТ два Пмоста сгорело в SSTC, не знаю из за чего=) трифиляр на толстом 2000 колечке феррита сигнал передаёт очень хорошо даже при частоте слегка за 1 МГц. Думаю не успевают переключатся irfp460 на переключении оба открываются. А как проверить? наверно единственный способ это повесить трансформатор тока на сток верхнего ключа и посмотреть если будут короткие броски тока значит надо затворные резисторы побольше сделать?

    BSVi Reply:

    Можно и на затворах смотреть. 460 — очень быстрые. Проблема не в том, что не успевает переключать, а в том, что у тебя был сквозняк в полумосте.

    Проблема еще в том, что смотреть сигнал на затворе нужно только когда на полумост подано полное напряжение питания, иначе не увидишь эффекта Миллера.

    ax-9 Reply:

    При ГДТ разве миллер бывает?, а сквозняки были при тестировании на 12вольтах без нагрузки, ТТ на верхнем ключе показывал короткие броски тока. Возможно было бы более эффективно отказаться от резисторов и диодов в цепи затвора в пользу одного резистора в первичке ГДТ который подобрать под оптимальный сигнал на затворе? Вот на небольшой мощьности работает вроде более менее: http://www.youtube.com/watch?v=38usycL5Tv8
    4046 замучался ловить частоту и фазу фитонка то визжала то свистела то трещала грусно было очень, вот шас думаю как сделать полную авто настройку на 4046.

    BSVi Reply:

    Миллер не зависит от того, что драйвит транзистор читайте внимательно про то, что такое миллер.

    Отказываться от резисторов и диодов неразумно — они создают дедтайм.

  16. Vasilius написал(а) 16 декабря, 2012 в 16:17

    Подправленная программа автора.
    http://webfile.ru/6270727

  17. Rom-Zecs написал(а) 27 января, 2013 в 21:53

    филярная намотка дает нам шптл, в нете можно найти немало инфы, говорят очень годная вещь

  18. serilas написал(а) 25 февраля, 2013 в 11:36

    Спасибо за статью. Но, есть одно но! Очень часто случается, что расчетные параметры на практике не достигаются. Было бы здорово, если бы вы дополнили методику практическими советами. Как узнать, входит ли сердечник в насыщение или нет? Нужно добавить количество витков или наоборот уменьшить? Хорошо работает ли сердечник? Как это посмотреть? И вообще, как правильно протестировать GDT?
    И еще вопрос. В расчете не учитывается ток (мощность), который нужно передать. Неужели приведенная формула дает исчерпывающий ответ, относительно сечения сердечника и количества витков?

  19. vdij написал(а) 24 апреля, 2013 в 22:44

    Очень полезная статья. Как раз закончил ИИП-полумост на КА3525+IRFP460 с ТГР. Статья помогла в рассчете ТГР. Спасибо!

  20. dimass01 написал(а) 12 ноября, 2014 в 13:15

    спасибо за вашу работу.
    у меня вопрос который я не могу понять. ТОК. драйверы которые на полевиках выдают амперы на затвор чтобы он быстро переключался. а здесь что я вижу, GTD нагружают на выходы 3525 и судя по данным все неплохо работает. Как так? там выходы максимум 0.5А.

    еще вопрос, у меня масса сердечников с дросселей материнок, их можно использовать в GTD?

  21. inforced написал(а) 26 октября, 2016 в 23:56

    Спасибо. Можно ли с помощью GDT получить фронты менее 50 нс на рабочей частоте 20 кГц при изменяемом коэффициенте заполнения от 1 до 70%? Сейчас использую бутстрэпную схему и верхнее плечо работает слабовато. Хочу попробовать GDT, но нет уверенности по частотным характеристикам — не нашел в сети осциллограмм с крутизной фронта менее 100 нс.

Создать новую ветку комментариев


Вы должны войти или зарегистрироваться чтобы оставить комментарий.