Feritová toroidní jádra vhodná na GDT

      22.5.2013 Zásadním problémem spínaných zdrojů pracujících s vyšším napájecím napětím (např. síť po usměrnění cca 320 VDC) je buzení plovoucího (high-side) tranzistoru, kde je potřeba galvanického oddělení od budiče (s minimální vazební kapacitou) a zároveň kvalitním přenosem budícího signálu. To se řeší buď speciálními integrovanými obvody (high-side gate drivery, např. IR2125), které využívají pro napájení bootstrapového kondenzátoru, či obvody s optočleny (např. HCPL-3120) napájené externě izolovaným pomocným DC zdrojem nebo pomocí impulsního transformátorku, tzv. GDT (Gate Drive Transformer).
      Každá z těchto možností má své výhody i nevýhody. Integrované budiče jsou jednoduché, nepotřebují pomocné napájení a jsou i celkem rychlé, ale jsou zas náchylné na rušení v obvodu a různé zákmity, v amatérských zapojeních nezřídka explodují. Také proudové budící schopnosti jsou nevalné, běžně tak 1 - 4 Apk, což na větší MOSFETy / IGBT nestačí. Optočleny vyžadují pomocný zdroj, jehož izolace musí snést napájecí napětí a pracovní frekvenci. Navíc jsou značně pomalé (hrany lze upravit zařazením dalšího budicího IO, ale zpoždění už vrátit nelze). V poslední době se objevily izolované budiče od Silicon Labs Si8261, které nevyužívají LED a fotodiody, ale vlastní technologii křemíkové izolace a dosahují tak malých zpoždění (zde 30 - 40 ns). GDT je konstrukčně jednoduché řešení, které díky symetrickému budicímu signálu dosahuje výborné šumové imunity, téměř nezná zpoždění a může přenášet veliké pulzní proudy. Jeden GDT navíc může budit více tranzistorů z více sekundárních vinutí (prostým prohozením konců vinutí získáme signál v protifázi pro buzení polomostu nebo plného mostu). Avšak jeho velkou nevýhodou je, že nemůže jednoduše přenášet dvoustavovou PWM - žádné trafo nepřenáší stejnosměrnou složku a budící signál by tedy měl mít střídu zhruba 50:50, v některých případech to ale nevadí.
      Namotat kvalitní GDT však není jednoduchá věc. Jednak je třeba zvolit vhodný tvar a materiál jádra, dále pak zvolit optimální počet závitů a takový způsob vinutí, který maximálně potlačí rozptylovou indukčnost, ale nezvýší příliš vzájemnou kapacitu mezi vinutími. Pro GDT se typicky používají feritové prstence (toroidy) bez vzduchové mezery. Železoprachový materiál používaný pro akumulační tlumivky spínaných zdrojů je naprosto nevhodný. Také se moc nehodí odrušovací toroidy navlečené na datových kabelech, protože ty jsou pro vyšší frekvence záměrně ztrátové (ekvivalent RL dolní propusti). Feritový materiál by měl mít vysokou permeabilitu a zároveň nízké hysterezní ztráty a též velkou rezistivitu. Avšak tyto požadavky jdou silně proti sobě. Vysokopermeabilní ferity jsou více ztrátové a navíc permeabilita s rostoucí frekvencí výrazně klesá. V katalogu bývá často uveden graf závislosti komplexní permeability na frekvenci, kde reálná složka µ'r představuje koeficient zvýšení indukčnosti proti vzduchové cívce, při nízkých frekvencích je shodná s počáteční permeabilitou µi (typ. udávaná při 10 kHz) a imaginární složka µ"r představuje ztráty. Poměr obou složek určuje činitel jakosti cívky Q (na výsledném Q se ještě podílí ztráty ve vinutí). Zjednodušeně v bodě, kde se křivky µ'r a µ"r protnou, tak na této frekvenci fk je Q = 1. Detailněji popisuje problematiku tento dokument. Je také třeba si uvědomit, že GDT přenáší obdélníkový průběh napětí a tedy trojúhelníkový průběh proudu, který má teoreticky nekonečně mnoho vyšších harmonických (GDT by je měl též přenést). Jejich amplituda však rychle klesá. Aby toho nebylo málo, permeabilita ještě závisí i na teplotě a zmínil bych zde existenci Curieovy teploty, po jejímž překročení feromagnetické materiály ztrácí magnetické vlastnosti. Tc feritů se běžně pohybuje kolem 130°C, kam bychom se v provozu neměli ani přiblížit. Nemám rád, když součástka hřeje tak, že na ní nejde šáhnout, snad vyjma elektronek :)

material 3E25 - komplexní permeabilita
závislost komplexní permeability na frekvenci feritového materiálu 3E25

      Počet závitů primárního vinutí nesmí být příliš malý, aby nedošlo k přesycení jádra (typ. max. Bs pro ferit je 0,3 T) ani příliš velký, protože se zvyšuje rozptylová indukčnost. Výpočty vinutí např. zde a zde. Rozptylová indukčnost se chová tak, jako bychom do série s primárem zařadili další cívku, která není nijak magneticky vázaná s ideálním trafem. Ta je pak zodpovědná za ošklivé zákmity, ke kterým dochází při rezonanci s kapacitou zátěže (kapacita hradla Cg MOSFETu nebo IGBT). Tyto zákmity mohou vést k proražení hradla (chráníme antisériovou dvojicí zenerových diod či transilem mezi gate a source) nebo k chybnému spínání, což často vede k rychlé destrukci tranzistorů. Pro minimalizaci rozptylové indukčnosti je důležitá těsná vzájemná vazba vinutí, proto se běžně používá trifilární vinutí zkrouceným drátem. Také přívody k tranzistorům a k budiči by měly být co nejkratší, kroucené. Pokud se nepodaří zákmity odstranit, nezbývá než zařadit mezi sekundár a hradlo transistoru sériový odpor, který sníží Q tohoto RLC obvodu, klesne amplituda s prodlouží se perioda překmitů. Příliš velký odpor však zpomaluje hrany (dobu zapínání a vypínání tranzistoru) a zvyšuje vnitřní odpor budiče (tedy schopnost kontrolovat průběh na hradle při zpětném přenosu signálu z výstupu polomostu parazitní kapacitou Cdg (Ccg). Při výběru drátu je třeba dbát na dostatečný průřez vzhledem k proudům a izolaci. Smaltovaným drátkům na 320 V moc nevěřím, lze použít např. tenké drátky z UTP kabelu a třeba jen primár vinout smalťákem.
      Dále se budu zabývat výběrem vhodného a dostupného jádra pro GDT s pracovním frekvenčním rozsahem 100 - 500 kHz - typicky budiče SSTC a indukční ohřevy. Pro svůj první SSTC driver, který budil teslák na frekvenci 1,2 MHz jsem koupil v GESu feritové toroidní jádro Amidon FT 82-43 (rozměry D = 21 mm, d = 13,1 mm, h = 6,4 mm) a poměrně nízkou konstantou Al = 557 nH. Vzhledem k vysoké frekvenci jsem to považoval za dobrou volbu. Později jsem však kvůli problémům teslák převinul a dostal se na frekvenci kolem 400 kHz. Zde by se už zřejmě hodilo jádro s vyšší permeabilitou. Nemám zde zásadní problémy se zákmity, ale pro budoucí SSTC driver bych chtěl GDT lépe optimalizovat. Jelikož v GESu sortiment kvalitních jader od Amidonu prořídl a nenacházím zde nic vhodného, pátral jsem po nabídkách dalších prodejců. Vybrané tipy jsou v následující tabulce:

prodejce typ materiál D/d/h [mm] Al [nH] cena [Kč]
SEMIC Lj T 2010C-CF195 &CF CF195 20 / 10 / 10 5000 10,40
SEMIC Lj T 2010C-CF197 &CF CF197 20 / 10 / 10 9600 10,65
SEMIC Lj T 2010C-CF199 &CF CF199 20 / 10 / 10 12500 14,64
TME Ferroxcube TN25/15/10-3E25 3E25 25,8 / 14 / 10,6 5620 46,27
PS electronic Ferroxcube TN20/10/7-3E25 3E25 20,6 / 9,2 / 7,5 5340 31,00
ferity.cz Pramet T25/15x10 H40 lak H40 (3C11) 25 / 15 / 10 4400 18,39
ferity.cz Pramet T25/15x10 H60 lak H60 (3E25) 25 / 15 / 10 6130 27,59
křížová referenční tabulka feritových materiálů

      Jelikož nedokážu předem odhadnout, který z nich bude nejlépe vyhovovat, rozhodl jsem se nakoupit v SEMICu jádra Lj T 2010C z materiálů CF195, CF197 a CF199 (cena je velice příznivá) a dále Pramet T25/15x10 z materiálu H40 a T25/15x10 z materiálu H60, které postupně přeměřím. Na všechny jádra navinu primár o stejné indukčnosti a budu měřit jednak proudový odběr driveru, teplotu jádra bez zatížení sekundáru a také průběhy osciloskopem při zvolené kapacitní zátěži.



Zpět

Aktualizováno 10.6.2013 v 00:08

Crossové trenažery a elipticaly pro trénink