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.

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

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:

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
Сосредоточенная	0.999456
Круговая	0.999803
Филярная ( пучком из нескольких скрученных проводов )	0.999837
Проводом в экране	0.999905

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

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:

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.

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.

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.

Перед тем, как мотать GDT, советую еще прочитать

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

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