作者：Art Pini

投稿人：DigiKey 北美編輯

創(chuàng)新型汽車設(shè)計(jì)對(duì)電氣和電子電源的需求可歸納如下：增加功率、提高效率、減少空間需求和增強(qiáng)可靠性。就電動(dòng)汽車 (EV) 而言，效率對(duì)于緩解用戶的“續(xù)航焦慮”至關(guān)重要。結(jié)合電動(dòng)汽車的各種要求，我們需要為備用電源和輔助電源提供緊湊、輕量化的電源解決方案。更小的電源帶來了更多的挑戰(zhàn)，包括需要更大的隔離能力，以防止間距較近的元件之間發(fā)生電氣擊穿，并減少電磁干擾 (EMI)。

反激式電源轉(zhuǎn)換器通常用在各種低功耗電動(dòng)汽車應(yīng)用中，包括產(chǎn)生輔助電源、電池管理和柵極驅(qū)動(dòng)電源。其設(shè)計(jì)更簡(jiǎn)單，元件更少，從而縮小了尺寸，提高了可靠性，降低了成本。反激式電源的核心是反激式變壓器，它通常是支持高壓隔離所需的最大組件之一。

本文介紹了反激式轉(zhuǎn)換器的工作原理、電感和電容寄生的影響，以及元器件尺寸和信號(hào)隔離的重要性。然后介紹了[Bourns] 的反激式變壓器，并說明它是以何方式幫助解決眾多汽車電源難題的。

反激式轉(zhuǎn)換器

反激式轉(zhuǎn)換器的核心是一個(gè)反激式變壓器，它在轉(zhuǎn)換器電路的初級(jí)側(cè)和次級(jí)側(cè)之間提供功率傳輸和隔離（圖 1，上）。轉(zhuǎn)換器可根據(jù)反激式變壓器的配置對(duì)直流電源的電壓進(jìn)行升壓或降壓。除了反激式變壓器，電路還需要一個(gè)初級(jí)側(cè)開關(guān) (SW)（通常是 MOSFET）和一個(gè)次級(jí)整流器/濾波器。

圖 1：所示為反激式轉(zhuǎn)換器基本元件（上圖）和重要工作波形（下圖）的簡(jiǎn)化示意圖。（圖片來源：Bourns Inc.）

通過將 Vgs 置于高電平狀態(tài)（圖 1，下），開啟 SW 時(shí)，工作周期開始。開關(guān)閉合，施加在電感器上的電壓是一個(gè)階躍函數(shù)。電感器可抵消電流的任何瞬時(shí)變化，并對(duì)施加的階躍電壓進(jìn)行積分。這就產(chǎn)生了一個(gè)斜坡函數(shù)，反激式變壓器初級(jí)繞組中的電流由于初級(jí)電感的影響而線性增加。由于整流二極管 (D) 是反向偏置的，因此變壓器次級(jí)沒有電流，反激式變壓器磁芯中的氣隙可防止變壓器磁場(chǎng)增大時(shí)出現(xiàn)飽和。

當(dāng)開關(guān)關(guān)閉時(shí)（通過將 Vgs 恢復(fù)到低電平狀態(tài)來實(shí)現(xiàn)），變壓器磁場(chǎng)中存儲(chǔ)的能量通過現(xiàn)在正向偏置的二極管傳輸?shù)酱渭?jí)，為輸出電容器 (C2) 充電。次級(jí)電流線性下降，直到磁場(chǎng)能量耗盡或開關(guān)再次打開，開始下一個(gè)周期。

典型的變壓器，如線性電源中的變壓器，持續(xù)地將能量從初級(jí)繞組傳遞到次級(jí)繞組。反激式變壓器的工作原理更類似于一對(duì)耦合電感器，因?yàn)樗粫?huì)在工作周期內(nèi)持續(xù)傳輸能量。不過，與變壓器一樣，輸出電壓也可以通過改變初級(jí)和次級(jí)繞組之間的匝比來調(diào)節(jié)。反激式變壓器還在初級(jí)和次級(jí)繞組之間提供電隔離。此外，它還支持多個(gè)次級(jí)繞組，允許轉(zhuǎn)換器輸出多種電壓。

反激式轉(zhuǎn)換器的寄生效應(yīng)

作為典型的電子電路，反激式轉(zhuǎn)換器會(huì)受到寄生電感和電容的影響（圖 2）。

圖 2：所示為反激式轉(zhuǎn)換器原理圖，紅色部分突出顯示了與轉(zhuǎn)換器組件相關(guān)的寄生電容和電感。（圖片來源：Bourns Inc.）

磁化電感 (L m ) 是決定反激式變壓器能量?jī)?chǔ)存的主要感性屬性。與變壓器相關(guān)的還有與開關(guān)串聯(lián)的寄生漏感 (L lk )。當(dāng)開關(guān)斷開時(shí)，它會(huì)試圖維持初級(jí)電流并升高開關(guān)兩端的電壓。大多數(shù)反激式轉(zhuǎn)換器都采用鉗位電路或緩沖電路來保護(hù)開關(guān)免受這種瞬態(tài)電壓的影響。這種效應(yīng)還會(huì)增加磁場(chǎng)輻射，影響電磁干擾。電路板走線電感 (L tr ) 增加了這些影響。

變壓器設(shè)計(jì)人員會(huì)盡一切努力將漏感降到最低。主要方法是增加初級(jí)和次級(jí)繞組之間的耦合。要做到這一點(diǎn)，就要盡量減少繞組之間的間距，并將它們交錯(cuò)排列。

分布的電容包括初級(jí)電容 (C p )、繞組間電容 (C ps )、次級(jí)電容 (C s )、場(chǎng)效應(yīng)管輸出電容 (C o ) 和次級(jí)二極管電容 (C d )。這些電容與電感相互作用，降低了轉(zhuǎn)換器信號(hào)波形的完整性（圖 3）。

圖 3：所示為電容和電感寄生元件對(duì)開關(guān)波形的影響。（圖片來源：Bourns Inc.）

開關(guān)波形最好是沒有過沖或下沖的矩形脈沖。這種矩形脈沖的快速轉(zhuǎn)換時(shí)間保證了電壓波形在電流增大之前處于零位。實(shí)際上，寄生電容和電感的影響會(huì)減慢轉(zhuǎn)換時(shí)間，并導(dǎo)致過沖、下沖和瞬時(shí)振蕩。此外，由于非零初級(jí)電壓和電流波形的重疊，較慢的上升和下降時(shí)間會(huì)增加轉(zhuǎn)換器的開關(guān)損耗。這種重疊會(huì)在 FET 開關(guān)中產(chǎn)生開關(guān)損耗，從而降低轉(zhuǎn)換器的效率。脈沖頂部的明顯下降是由于負(fù)載電阻和磁化電感造成的。

在設(shè)計(jì)反激式變壓器時(shí)，必須努力使自諧振頻率遠(yuǎn)離轉(zhuǎn)換器的開關(guān)頻率，并盡可能縮短開關(guān)和反激式變壓器之間的布線，這有助于最大限度地減少寄生電容。此外，繞組間電容還提供了將初級(jí)信號(hào)的高頻成分耦合到輸出的路徑。繞組間電容越大，轉(zhuǎn)換器的傳導(dǎo) EMI 輻射就越大。要實(shí)現(xiàn)最佳性能就需要在設(shè)計(jì)上進(jìn)行權(quán)衡，因?yàn)楦o密的繞組耦合會(huì)降低漏感，但同時(shí)也會(huì)增加繞組間電容。這就是變壓器設(shè)計(jì)人員經(jīng)驗(yàn)的重要性所在。

縮小尺寸和信號(hào)隔離

用于汽車應(yīng)用的元器件應(yīng)盡可能小。元器件的物理尺寸由材料特性和元器件功能的物理特性決定。就反激式變壓器而言，導(dǎo)體間距必須足以應(yīng)對(duì)峰值工作電壓和標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)證所需的電壓測(cè)試。與電壓擊穿相關(guān)的關(guān)鍵規(guī)格是間隙和爬電距離（圖 4）。

圖 4：間隙和爬電距離是描述相鄰導(dǎo)體之間為防止電氣擊穿和電弧所需的最小距離的規(guī)范。（圖片來源：Bourns Inc.）

間隙是指空氣中兩個(gè)導(dǎo)電路徑之間的最短距離，爬電距離是指沿絕緣材料表面兩個(gè)導(dǎo)電路徑之間的最短距離。這些距離對(duì)于防止電弧和保持電氣隔離至關(guān)重要。

反激式變壓器符合電動(dòng)汽車要求

Bourns [HVMA03F40C-ST10S] （圖 5）反激式變壓器通過了汽車級(jí)認(rèn)證，設(shè)計(jì)工作頻率為 100 kHz 至 400 kHz，額定功率最高 3 W。

圖 5：HVMA03F40C-ST10S 反激式變壓器（左）額定功率為 3 W，具有雙輸出繞組（右）。（圖片來源：Bourns Inc.）

這款反激式變壓器是符合 AEC-Q200 標(biāo)準(zhǔn)的汽車級(jí)組件，額定工作溫度范圍為 -40°C 至 +155°C（包括自升溫）。它是一款八焊盤表面貼裝器件，占用面積僅為 9.5 mm × 10.3 mm，高度僅為 13 mm，結(jié)構(gòu)異常緊湊。它設(shè)計(jì)用于在 6 V 至 27 V 的初級(jí)驅(qū)動(dòng)電壓下運(yùn)行，其雙次級(jí)繞組可產(chǎn)生 14 V 的額定輸出電壓。

初級(jí)繞組（引腳 1 和 2 之間）的主電感為 40 微亨 (mH)，漏感僅為 1.1 mH，串聯(lián)電阻為 1.0 歐姆 (Ω)。主次級(jí)（引腳 6 和 7 之間）的串聯(lián)直流電阻為 1.0 Ω。輔助輸出（引腳 3 和 4 之間）的串聯(lián)電阻為 1.4 Ω。該變壓器針對(duì)單位增益設(shè)置，匝數(shù)比為 1:1:1。

額定工作電壓高達(dá) 900 V，隔離電壓為 4,000 V AC 。盡管額定電壓很高，但變壓器的額定爬電距離為 10 mm，間隙距離為 6 mm。

這種反激式變壓器適用于汽車應(yīng)用，例如晶體管柵極驅(qū)動(dòng)電源、電池管理電路或電動(dòng)汽車獨(dú)立電源電路之間的隔離電源。它與許多反激式控制器集成電路兼容，這些集成電路可在固定開關(guān)頻率和脈寬調(diào)制下工作，或在固定脈寬和可變頻率控制下工作。

結(jié)語

Bourns HVMA03F40C-ST10S 尤其適合用來幫助設(shè)計(jì)人員滿足電動(dòng)汽車的電源要求。它符合 AEC-Q200 標(biāo)準(zhǔn)，外形小巧，符合間隙和爬電規(guī)范，在寬溫度范圍內(nèi)的額定功率為 3 W。